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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS
FACULDADE DE GEOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM RECURSOS HÍDRICOS
MESTRADO PROFISSIONAL EM RECURSOS HÍDRICOS
Disciplina: Geotecnologias Aplicadas aos Recursos Hídricos
Prof. Dr. Leonardo Brasil Felipe
Período: 26/10 a 06/11 de 2015.
Local: IG – UFPA
Ementa: Conceitos e técnicas de geotecnologias visando seu uso como ferramenta
de apoio à tomada de decisões para fins de gerenciamento hidroambiental.
Conceitos de Cartografia Básica e Sistemas de Informação Geográfica, Formato de
Dados Espaciais, Entrada de Dados, Funções dos SIGs. Mapeamento e análise
ambiental. Sensoriamento remoto: princípios, tipos de sensores e aplicações
Plataforma de coleta de dados: categorias e aplicações na hidrologia,
hidrometeorológia e hidrogeologia. Aplicação de modelos hidrológicos,
hidrometeorológicos e hidrogeológicos aos Sistemas de Informação dos Recursos
Hídricos.
SUMÁRIO
1. CONCEITOS BÁSICOS DE CARTOGRAFIA: ................................................................................................. 4
1.1. HISTÓRICO E DEFINIÇÕES; .................................................................................................................. 4
1.2. PROJEÇÕES CARTOGRÁFICAS; ............................................................................................................ 5
1.3. DATUM; ............................................................................................................................................10
1.4. PRODUTOS CARTOGRÁFICOS; ...........................................................................................................11
1.5. SISTEMA UNIVERSAL TRANSVERSAL DE MERCATOR (UTM). ..............................................................13
2. SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS ...........................................................................................17
2.1. HISTÓRICO E DEFINIÇÕES; .................................................................................................................17
2.2. TIPOS DE DADOS PARA SIG: ..............................................................................................................20
2.3. APLICAÇÕES ......................................................................................................................................27
2.4. BANCO DE DADO GEOGRÁFICO .........................................................................................................28
2.5. ANÁLISE ESPACIAL .............................................................................................................................31
2.6. CARTOGRAFIA ...................................................................................................................................34
3. SENSORIAMENTO REMOTO ...................................................................................................................36
3.1. HISTÓRICO E DEFINIÇÕES; .................................................................................................................36
3.2. PRINCÍPIOS FÍSICOS DO SR ................................................................................................................39
3.3. RESOLUÇÃO ESPACIAL .......................................................................................................................42
3.4. RESOLUÇÃO TEMPORAL ....................................................................................................................43
3.5. RESOLUÇÃO ESPECTRAL ....................................................................................................................45
3.6. RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA .............................................................................................................46
3.7. IMAGENS ÓPTICAS ............................................................................................................................47
3.8. IMAGENS DE RADAR .........................................................................................................................51
3.9. APLICAÇÕES ......................................................................................................................................54
4. BIBLIOGRAFIA BÁSICA............................................................................................................................57
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1. CONCEITOS BÁSICOS DE CARTOGRAFIA:
É imprescindível conhecer algumas técnicas específicas para trabalhar com
geotecnologias, sendo que uma delas está relacionada ao uso de bases
cartográficas confiáveis, o que implica diretamente à compreensão de códigos e
conceitos básicos a respeito dessa forma de representar a realidade.
1.1. HISTÓRICO E DEFINIÇÕES;
O conceito de Cartografia tem suas origens intimamente ligadas às
inquietações que sempre se manifestaram no ser humano, no tocante a conhecer a
forma do planeta em que habita.
Desde o apogeu da Grécia Antiga, muitos pensadores já acreditavam que a
Terra apresentava uma superfície esférica. Várias foram as investigações e
experimentos a fim de mensurar suas dimensões e definir sua forma específica.
No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer observou em Caiena, na
Guiana Francesa, um relógio que atrasava cerca de dois minutos e meio por dia em
relação a um mesmo experimento feito sob as mesmas condições na capital da
França. Levando em consideração o princípio da Gravitação Universal de Newton, o
pesquisador concluiu que na zona equatorial, a distância entre a superfície e o
centro da Terra era maior do que a distância mensurada próximo aos polos.
Essas observações levaram os pesquisadores a ideia de que a forma real da
Terra não seria uma esfera perfeita, evidenciado pelo achatamento nos seus polos.
Com isso, o matemático alemão CARL FRIEDRICH GAUSS (1777-1855) definiu um
termo que é bastante utilizado para estudar a forma do Planeta, o chamado geóide,
que corresponde à superfície do nível médio do mar homogêneo (ausência de
correntezas, ventos, variação de densidade da água, etc.) supostamente prolongado
por sob continentes. Essa superfície se deve, principalmente, às forças de atração
gravitacional e força centrífuga.
Porém, várias foram as dificuldades na utilização do geóide como superfície
representativa da Terra, o que conduziu os pesquisadores buscarem um modelo
mais simples para representar o nosso planeta. Para contornar o problema lançou-
se mão de uma figura geométrica chamada ELIPSE que ao girar em torno do seu
eixo menor forma um volume, o ELIPSÓIDE DE REVOLUÇÃO, achatado no pólos.
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Assim, o elipsóide é a superfície de referência utilizada nos cálculos fornecidos da
Geodésia, como subsídios para a elaboração de uma representação cartográfica.
A Geodésia é a ciência que estuda a forma e as dimensões da Terra e
estabelece o apoio básico (malha de pontos geodésicos com posição geográfica
precisa) para dar suporte à elaboração de mapas. A Geodésia utiliza instrumentos
semelhantes aos de Topografia, porém, dotados de alta precisão e associados a
métodos mais sofisticados (Timbó, 2001).
A Cartografia e a Geodésia estão intimamente ligadas, pois a geodésia
oferece os parâmetros matemáticos e os subsídios para que a realidade seja mais
fielmente representada. Portanto, “a cartografia é a Ciência e a Arte que se propõe a
representar por meio de mapas, cartas, plantas e outras formas gráficas, os diversos
ramos do conhecimento humano sobre a superfície e o ambiente terrestre e seus
diversos aspectos.”
Atualmente, com a divulgação da tecnologia de geoprocessamento e com a
proliferação dos SIGs (Sistemas de Informações Geográficas) no mercado de
trabalho, a cartografia vem sofrendo profundas modificações, sobretudo na
aquisição e manipulação de dados e confecção de mapas.
1.2. PROJEÇÕES CARTOGRÁFICAS;
Diversos métodos podem ser empregados para se obter essa
correspondência de pontos, constituindo os chamados “sistemas de projeções”.
A teoria das projeções compreende o estudo dos diferentes sistemas em uso,
incluindo a exposição das leis segundo as quais se obtêm as interligações dos
pontos de uma superfície (Terra) com os da outra (carta). São estudados também os
processos de construção de cada tipo de projeção e sua seleção, de acordo com a
finalidade em vista.
O problema básico das projeções cartográficas é a representação de uma
superfície curva em um plano. Em termos práticos, o problema consiste em se
representar a Terra em um plano. Como vimos, a forma de nosso planeta é
representada, para fins de mapeamento, por um elipsóide que é considerada a
superfície de referência a qual estão relacionados todos os elementos que
desejamos representar.
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Podemos dizer que todas as representações de superfícies curvas em um
plano envolvem: "extensões" ou "contrações" que resultam em distorções ou
"rasgos". Diferentes técnicas de representação são aplicadas no sentido de se
alcançar resultados
que possuam certas propriedades favoráveis para um propósito específico.
A construção de um sistema de projeção será escolhido de maneira que a carta
venha a possuir propriedades que satisfaçam as finalidades impostas pela sua
utilização.
Classificação das projeções cartográficas
Quanto ao método
a) Geométricas - baseiam-se em princípios geométricos projetivos. Podem ser
obtidos pela interseção, sobre a superfície de projeção, do feixe de retas que passa
por pontos da superfície de referência partindo de um centro perspectivo (ponto de
vista).
b) Analíticas - baseiam-se em formulação matemática obtidas com o objetivo de se
atender condições (características) previamente estabelecidas (é o caso da maior
parte das projeções existentes).
Quanto à superfície de projeção
a) Planas - este tipo de superfície pode assumir três posições básicas em relação a
superfície de referência: polar, equatorial e oblíqua (ou horizontal)
Figura 1.2a. Fonte: INPE
b) Cônicas - embora esta não seja uma superfície plana, já que a superfície de
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projeção é o cone, ela pode ser desenvolvida em um plano sem que haja distorções
e funciona como superfície auxiliar na obtenção de uma representação. A sua
posição em relação à superfície de referência pode ser: normal, transversal e
oblíqua (ou horizontal)).
Figura 1.2b. Fonte: INPE
c) Cilíndricas - tal qual a superfície cônica, a superfície de projeção que utiliza o
cilindro pode ser desenvolvida em um plano e suas possíveis posições em relação a
superfície de referência podem ser: equatorial, transversal e oblíqua (ou horizontal).
1.2c. Fonte: INPE
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d) Poli-Superficiais - se caracterizam pelo emprego de mais do que uma
superfície de projeção (do mesmo tipo) para aumentar o contato com a superfície de
referência e, portanto, diminuir as deformações (plano-poliédrica ; cone-policônica ;
cilindropolicilíndrica).
Figura1.2d. Fonte: Ministério Do Meio Ambiente Instituto Chico Mendes De
Conservação Da Biodiversidade Icmbio.
Quanto às propriedades
Na impossibilidade de se desenvolver uma superfície esférica ou elipsóidica sobre
um plano sem deformações, na prática, buscam-se projeções tais que permitam
diminuir ou eliminar parte das deformações conforme a aplicação desejada. Assim,
destacam-se:
a) Eqüidistantes - As que não apresentam deformações lineares para algumas
linhas em especial, isto é, os comprimentos são representados em escala uniforme.
b) Conformes - Representam sem deformação, todos os ângulos em torno de
quaisquer pontos, e decorrentes dessa propriedade, não deformam pequenas
regiões.
c) Equivalentes - Têm a propriedade de não alterarem as áreas, conservando
assim, uma relação constante com as suas correspondentes na superfície da Terra.
Seja qual for a porção representada num mapa, ela conserva a mesma relação com
a área de todo o mapa.
d) Afiláticas - Não possui nenhuma das propriedades dos outros tipos, isto é,
equivalência, conformidade e equidistância, ou seja, as projeções em que as áreas,
os ângulos e os comprimentos não são conservados.
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As propriedades acima descritas são básicas e mutuamente exclusivas. Elas
ressaltam mais uma vez que não existe uma representação ideal, mas apenas a
melhor representação para um determinado propósito.
Quanto ao tipo de contato entre as superfícies de Projeção e referência
a) Tangentes - a superfície de projeção é tangente à de referência (plano- um
ponto; cone e cilindro- uma linha).
b) Secantes - a superfície de projeção secciona a superfície de referência (plano ou
linha; cone- duas linhas desiguais; cilindro- duas linhas iguais).
Através da composição das diferentes características apresentadas nesta
classificação das projeções cartográficas, podemos especificar representações
cartográficas cujas propriedades atendam as nossas necessidades em cada caso
específico.
PROJEÇÕES MAIS USUAIS E SUAS CARACTERÍSTICAS
Projeção policônica
- Superfície de representação: diversos cones;
- Não é conforme nem equivalente (só tem essas características próxima ao
Meridiano Central);
- O Meridiano Central e o Equador são as únicas retas da projeção. O MC é
dividido em partes iguais pelos paralelos e não apresenta deformações;
- Os paralelos são círculos não concêntricos (cada cone tem seu próprio ápice) e
não apresentam deformações;
- Os meridianos são curvas que cortam os paralelos em partes iguais;
- Pequena deformação próxima ao centro do sistema, mas aumenta rapidamente
para a periferia.
- Aplicações: Apropriada para uso em países ou regiões de extensão
predominantemente Norte-Sul e reduzida extensão Este-Oeste. É muito popular
devido à simplicidade de seu cálculo pois existem tabelas completas para sua
construção. É amplamente utilizada nos EUA.
No BRASIL é utilizada em mapas da série Brasil, regionais, estaduais e temáticos.
Projeção cônica normal de lambert (com dois paralelos padrão)
- Cônica.
- Conforme.
- Analítica.
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- Secante.
- Os meridianos são linhas retas convergentes.
- Os paralelos são círculos concêntricos com centro no ponto de interseção dos
meridianos.
- Aplicações: A existência de duas linhas de contato com a superfície (dois
paralelos padrão) nos fornece uma área maior com um baixo nível de deformação.
Isto faz com que esta projeção seja bastante útil para regiões que se estendam na
direção este-oeste, porém pode ser utilizada em quaisquer latitudes.
A partir de 1962, foi adotada para a Carta Internacional do Mundo, ao Milionésimo.
Projeção cilíndrica transversa de mercator (secante)
- Cilíndrica.
- Conforme.
- Secante.
- Só o Meridiano Central e o Equador são linhas retas.
- Projeção utilizada no SISTEMA UTM - Universal Transversa de Mercator
desenvolvido durante a 2ª Guerra Mundial. Este sistema é em essência, uma
modificação da Projeção Cilíndrica Transversa de Mercator.
- Aplicações: Utilizado na produção das cartas topográficas do Sistema Cartográfico
Nacional produzidas pelo IBGE e DSG.
1.3. DATUM;
A adoção de uma superfície matemática rígida para representar a Terra não é
suficiente para definir o posicionamento de um ponto sobre a superfície terrestre
com precisão adequada.
Para isso, faz-se necessária a adoção de um sistema de coordenadas associado
aos pontos da superfície terrestre, chamado Sistema Geodésico de Referência
(SGR).
Um datum caracteriza-se por uma superfície de referência posicionada em
relação a Terra. Um datum planimétrico ou horizontal é formalmente estabelecido
por cinco parâmetros: dois para definir o elipsóide de referência e três para definir o
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vetor de translação entre o centro da Terra real e o do elipsóide. Os mapas mais
antigos do Brasil adotavam o datum planimétrico Córrego Alegre, que utiliza o
elipsóide de Hayford. Mais recentemente passou a ser utilizado como referência o
datum SAD-69 que utiliza o elipsóide de referência 1967. Existe também o datum
vertical ou altimétrico, que se refere à superfície de referência usada para definir as
altitudes de pontos da superfície terrestre. Na prática a determinação do datum
vertical envolve um marégrafo ou uma rede de marégrafos para a medição do nível
médio dos mares. No Brasil o ponto de referência para o datum vertical é o
marégrafo de Imbituba, em Santa Catarina.
1.4. PRODUTOS CARTOGRÁFICOS;
O processo cartográfico visando a geração de produtos precisa ser
atentamente avaliado, visando a geração de produtos adequados às reais
necessidades do usuário. Para isso, alguns autores observam a divisão do processo
em fases que classificam o produto e o definem de forma mais clara e objetiva,
determinando assim os elementos principais para o produto e sua correta aplicação.
Cada classe de representação pode ser definida segundo a escala e esta
combinação de classe x escala, já define e indica a aplicação mais adequada para o
produto cartográfico.
Nesse sentido, o produto cartográfico pode ser classificado:
Pelo traço:
Globo - representação cartográfica sobre uma superfície esférica, em escala
pequena, dos aspectos naturais e artificiais de uma figura planetária, com finalidade
cultural e ilustrativa.
Mapa - "Mapa é a representação no plano, normalmente em escala pequena, dos
aspectos geográficos, naturais, culturais e artificiais de uma área tomada na
superfície de uma figura planetária, delimitada por elementos físicos, político
administrativos, destinada aos mais variados usos, temáticos, culturais e
ilustrativos”.
Carta - "Carta é a representação no plano, em escala média ou grande, dos
aspectos artificiais e naturais de uma área tomada de uma superfície planetária,
subdividida em folhas delimitadas por linhas convencionais - paralelos e meridianos -
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com a finalidade de possibilitar a avaliação de pormenores, com grau de precisão
compatível com a escala".
Planta - a planta é um caso particular de carta. A representação se restringe a uma
área muito limitada e a escala é grande, consequentemente o nº de detalhes é bem
maior. Sendo assim, “Carta é a representação de uma área de extensão
suficientemente restrita para que a sua curvatura não precise ser levada em
consideração, e que, em consequência, a escala possa ser considerada constante”.
Por imagem
Mosaico - é o conjunto de fotos de uma determinada área, recortadas e montadas
técnica e artísticamente, de forma a dar a impressão de que todo o conjunto é uma
única fotografia. Classifica-se em:
- controlado - é obtido a partir de fotografias aéreas submetidas a processos
específicos de correção de tal forma que a imagem resultante corresponda
exatamente a imagem no instante da tomada da foto. Essas fotos são então
montadas sobre uma prancha, onde se encontram plotados um conjunto de pontos
que servirão de controle à precisão do mosaico. Os pontos lançados na prancha tem
que ter o correspondente na imagem. Esse mosaico é de alta precisão.
- não-controlado - é preparado simplesmente através do ajuste de detalhes
de fotografias adjacentes. Não existe controle de terreno e as fotografias não são
corrigidas. Esse tipo de mosaico é de montagem rápida, mas não possui nenhuma
precisão. Para alguns tipos de trabalho ele satisfaz plenamente.
- semi-controlado - são montados combinando-se características do mosaico
controlado e do não controlado. Por exemplo, usando-se controle do terreno com
fotos não corrigidas; ou fotos corrigidas, mas sem pontos de controle.
Fotocarta - é um mosaico controlado, sobre o qual é realizado um tratamento
cartográfico (planimétrico).
Ortofotocarta - é uma ortofotografia - fotografia resultante da transformação de uma
foto original, que é uma perspectiva central do terreno, em uma projeção ortogonal
sobre um plano - complementada por símbolos, linhas e georeferenciada, com ou
sem legenda, podendo conter informações planimétricas.
Ortofotomapa - é o conjunto de várias ortofotocartas adjacentes de uma
determinada região.
Fotoíndice - montagem por superposição das fotografias, geralmente em
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escala reduzida. É a primeira imagem cartográfica da região. O fotoíndice é insumo
necessário para controle de qualidade de aerolevantamentos utilizados na produção
de cartas através do método fotogramétrico. Normalmente a escala do fotoíndice é
reduzida de 3 a 4 vezes em relação a escala de vôo.
Carta imagem - Imagem referenciada a partir de pontos identificáveis e com
coordenadas conhecidas, superposta por reticulado da projeção, podendo conter
simbologia e toponímia.
1.5. SISTEMA UNIVERSAL TRANSVERSAL DE MERCATOR (UTM).
O sistema UTM é, talvez, o mais empregado em trabalho que envolvam SIGs.
Suas facilidades dizem respeito a adoção de uma projeção cartográfica que trabalha
com paralelos retos e meridianos retos equidistantes. Essa projeção, concebida por
Gerhard Kremer, conhecido como Mercator, publicada em 1569, originou tal sistema.
Além de apresentar o sistema de coordenadas geográficas, o sistema UTM
caracteriza-se por adotar coordenadas métricas planas ou plano-retangulares. Tais
coordenadas possuem especificidades que aparecem nas margens das cartas,
acompanhando uma rede de quadrículas planas.
A origem do sistema é estabelecida pelo cruzamento do equador com um
Meridiano Central (MC). Os valores das coordenadas obedecem a uma sistemática
de numeração que estabelece um valor de 10.000.000 m (dez milhões de metros)
sobre o equador e de 500.000 (quinhentos mil) sobre o MC. As coordenadas do eixo
E (leste-oeste), contadas a partir do MC de referência, possuem valores crescentes
no sentido leste e decrescentes no sentido oeste.
Características básicas do sistema UTM:
1) O mundo é dividido em 60 fusos, onde cada um se estende por 6º de longitude.
Os fusos são numerados de um a sessenta começando no fuso 180º a 174º W Gr. E
continuando para este. Cada um destes fusos é gerado a partir e uma rotação do
cilindro de forma que o meridiano de tangência divide o fuso em duas partes iguais
de 3º de amplitude.
2) O quadriculado UTM está associado ao sistema de coordenadas
planoretangulares, tal que um eixo coincide com a projeção do Meridiano Central do
fuso (eixo N apontando para Norte) e o outro eixo, com o do Equador. Assim cada
ponto do elipsóide de referência (descrito por latitude, longitude) estará
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biunivocamente associado ao terno de valores Meridiano Central, coordenada E e
coordenada N.
3) Avaliando-se a deformação de escala em um fuso UTM (tangente), pode-se
verificar que o fator de escala é igual a 1(um) no meridiano central e
aproximadamente igual a 1.0015 (1/666) nos extremos do fuso. Desta forma,
atribuindo-se a um fator de escala k = 0,9996 ao meridiano central do sistema UTM
(o que faz com que o cilindro tangente se torne secante), torna-se possível
assegurar um padrão mais favorável de deformação em escala ao longo do fuso. O
erro de escala fica limitado a 1/2.500 no meridiano central, e a 1/1030 nos extremos
do fuso (Figura 1.5a).
4) A cada fuso associamos um sistema cartesiano métrico de referência, atribuindo à
origem do sistema (interseção da linha do Equador com o meridiano central) as
coordenadas 500.000 m, para contagem de coordenadas ao longo do Equador, e
10.000.000 m ou 0 (zero) m, para contagem de coordenadas ao longo do meridiano
central, para os hemisfério sul e norte respectivamente. Isto elimina a possibilidade
de ocorrência de valores negativos de coordenadas.
5) Cada fuso deve ser prolongado até 30' sobre os fusos adjacentes criando-se
assim uma área de superposição de 1º de largura. Esta área de superposição serve
para facilitar o trabalho de campo em certas atividades.
6) O sistema UTM é usado entre as latitudes 84º N e 80º S.
Figura 1.5a: Fuso horário.
O sistema de coordenadas geodésicas ou o UTM permite o posicionamento
de qualquer ponto sobre a superfície da Terra, no entanto é comum se desejar
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posicionamento relativo de direção nos casos de navegação. Assim, ficam definidos
três vetores associados a cada ponto:
Norte Verdadeiro ou de Gauss - Com direção tangente ao meridiano (geodésico)
passante pelo ponto e apontado para o Polo Norte.
Norte Magnético - Com direção tangente à linha de força do campo magnético
passante pelo ponto e apontado para o Polo Norte Magnético.
OBS.: Devido à significativa variação da ordem de minutos de arco anualmente
deste polo ao longo dos anos, torna-se necessária a correção do valor constantes da
carta/mapa para a data do posicionamento desejado.
Norte da Quadrícula - Com direção paralela ao eixo N (que coincide com o
Meridiano Central do fuso) do Sistema de Projeção UTM no ponto considerado e
apontado para o Norte (sentido positivo de N).
Azimute: É o ângulo formado entre a direção Norte-Sul e a direção considerada,
contado à partir do Polo Norte, no sentido horário. O Azimute varia de 0º a 360º e
dependendo do Norte ao qual esteja a referenciado podemos ter:
- Azimute Verdadeiro ou de Gauss ( Az G AB )
- Azimute da Quadrícula ( Az Q AB )
- Azimute Magnético ( Az M AB )
OBS.: O azimute Geodésico corresponde ao Azimute Verdadeiro contato a partir do
Polo Sul.
Contra-azimute: Contra-Azimute de uma direção é o Azimute da direção inversa.
Declinação Magnética ( δ ): É o ângulo formado entre os vetores Norte Verdadeiro
e o Norte Magnético associado a um ponto.
Convergência Meridiana Plana ( γ ): É o ângulo formado entre os vetores Norte
Verdadeiro e o Norte da Quadrícula associado a um ponto.
No sistema UTM, a Convergência Meridiana Plana cresce com a latitude e
com o afastamento do Meridiano Central (MC). No hemisfério Norte ela é positiva a
Este do MC e negativa a Oeste do MC. No hemisfério Sul ela é negativa a Este do
MC e positiva a Oeste do MC.
Rumo: É o menor ângulo que uma direção faz com a Direção Norte- Sul.
Após o valor do rumo deve ser indicado o quadrante geográfico a que o mesmo
pertence, ou seja: NO, NE, SO ou SE.
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OBS: Como os azimutes, os rumos, dependendo do norte ao qual são referenciados
podem ser: Rumo verdadeiro, da quadrícula ou magnético.
Contra-rumo: É o rumo da direção inversa.
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2. SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS
2.1. HISTÓRICO E DEFINIÇÕES;
A solução mais antiga, e até hoje mais comum, de resolver problemas de
análise de informações espaciais envolve a construção e a utilização de mapas.
Embora toda a técnica de produção de mapas em papel esteja bastante dominada,
uma vez que a Cartografia é uma ciência muito antiga, o processo de produção e
utilização de mapas é muito oneroso, principalmente considerando-se os aspectos
de levantamento de dados em campo, armazenamento e atualização (Ferreira,
2006).
As primeiras tentativas de automatizar parte do processamento de dados com
características espaciais aconteceram na Inglaterra e nos Estados Unidos, nos anos
50 do século XX, com o objetivo principal de reduzir os custos de produção e
manutenção de mapas. Dada a precariedade da informática na época, e a
especificidade das aplicações desenvolvidas (pesquisa em botânica, na Inglaterra, e
estudos de volume de tráfego, nos Estados Unidos), estes sistemas ainda não
puderam ser classificados como “sistemas de informação”.
Os primeiros Sistemas de Informações Geográficas surgiram na década de
1960, no Canadá, como parte de um esforço governamental para criar um inventário
de recursos naturais. Estes sistemas, no entanto, eram muito difíceis de usar: não
existiam monitores gráficos de alta resolução, os computadores necessários eram
excessivamente onerosos, e a mão de obra tinha que ser altamente especializada e,
portanto também muito onerosa. Não existiam sistemas comerciais prontos para
uso, e cada interessado precisava desenvolver seus próprios programas, o que
demandava muito tempo e, naturalmente, muitos recursos financeiros. Além disto, a
capacidade de armazenamento e a velocidade de processamento eram muito
baixas.
Ao longo dos anos 70 do século XX, foram desenvolvidos novos e mais
acessíveis recursos computacionais, tornando viável o desenvolvimento de sistemas
comerciais. Foi então que a expressão Sistema de Informações Geográficas foi
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criada. Foi também nesta época que começaram a surgir os primeiros sistemas
comerciais de CAD (Computer Aided Design, ou Projeto Assistido por Computador),
que melhoraram em muito as condições para a produção de desenhos e plantas
para engenharia, e serviram de base para os primeiros 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
consequente 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
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utilização da Internet, de bancos de dados geográficos distribuídos e com os
esforços realizados em relação a interoperabilidade dos sistemas.
É bastante complicado encontrar um conceito único que defina Sistema de
Informação Geográfica (SIG) devido à utilização deste por várias áreas científicas ou
domínios da atividade humana (recursos naturais, planeamento urbano, agricultura,
geografia, informática, etc.). Desta forma, é possível que os conceitos aceites em
cada área ou domínio variem com a forma como os SIG são utilizados.
A ideia mais comum de SIG está frequentemente associada à produção e
análise de cartografia através da tecnologia computacional. Desta forma, algumas
pessoas argumentam que a chave da definição se encontra nos componentes
de hardware e software que servem de plataforma de funcionamento dos SIG.
Outros advertem que a definição deverá recair principalmente no tratamento da
informação e nas suas aplicações. Outras preferem ainda um sentido mais amplo,
tal como Aronoff (1989), que define os SIG não só pelas suas potencialidades
computacionais mas também pelo conjunto de operações e meios manuais
necessários para o armazenamento, o acesso e a manipulação da informação
georeferenciada. Várias outras individualidades ou entidades definem estes
sistemas incidindo em diferentes aspectos:
Ozemoy, Smith e Sicherman (1981) - Um conjunto de funções automatizadas que
dota os profissionais com avançadas capacidades para armazenar, capturar,
manipular e vizualizar dados geograficamente localizados.
Burrough (1986) - Um sistema de ferramentas poderoso que permite recolher,
guardar, encontrar, pesquisar, transformar e visualizar dados espaciais do mundo
real.
Smith et al.(1987) - Um sistema de base de dados onde a maior parte dos dados são
indexados espacialmente e onde um conjunto de procedimentos são operados com
o objetivo de responder a pesquisas sobre entidades espaciais da base de dados.
Cowen (1988) - Um sistema de apoio à decisão que envolve a integração de dados
georeferenciados num ambiente orientado para a resolução de problemas.
Federal Interagency Coordinating Committee (1988) - Um sistema de hardware,
software e procedimentos organizado de forma a possibilitar a aquisição de dados,
gestão, manipulação, análise e visualização de dados espaciais, de tal modo que
seja possível resolver problemas de planeamento complexos.
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Carter (1989) - Uma entidade institucional que seja o reflexo de uma estrutura
organizativa que integre a tecnologia com base de dados, conhecimentos periciais e
um contínuo apoio financeiro ao longo do tempo.
Para definir genericamente os SIG é necessário compreender a sua ligação
com outros sistemas, dos quais depende diretamente. Na verdade, os SIG resultam
da conjugação de outras tecnologias, integrando ferramentas originárias de sistemas
diferentes.
O desenho assistido por computador (CAD), a gestão de bases de dados, a
cartografia computadorizada e a detecção remota constituem os principais sistemas
que serviram de base ao desenvolvimento dos SIG.
Muito resumidamente, o desenho assistido por computador ou simplesmente
CAD, consiste em sistemas especializados no desenho de objetos em ambiente
gráfico. Possui capacidades analíticas muito limitadas e tem poucas ligações a
bases de dados.
Os sistemas de gestão de bases de dados consistem em software concebido
para o recolhimento, armazenamento e pesquisa de dados alfanuméricos, de
informação não espacial.
Os sistemas de cartografia computadorizada são especializados no desenho
de mapas, permitindo saídas de grande qualidade em formato vectorial. Dão maior
importância à visualização da informação, embora também permitam, com algumas
limitações, a captura e análise de dados.
Por fim, os sistemas de detecção remota foram desenvolvidos para recolher,
armazenar, manipular e visualizar imagens no formato quadricular ou raster. As
informações são recolhidas através de scanners instalados em satélites ou
aeronaves.
Todos estes sistemas são anteriores aos SIG. Como os SIG evoluíram a partir
destes sistemas, verificam-se muitas características comuns ou semelhantes.
Segundo Maguire (1991), a característica mais importante dos SIG reside no seu
grande poder de análise, o que o distingue de qualquer dos outros sistemas.
2.2. TIPOS DE DADOS PARA SIG:
Em termos gerais, dentro Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD) de
um SIG, concebe-se a existência de dois tipos de dados: os dados espaciais e os
21
dados alfanuméricos. Tais características torna complexa a estruturação desses
tipos e dados de SGBD.
DADOS ESPACIAIS
Os dados espaciais são considerados aqueles que podem ser representados
espacialmente, ou seja, de forma, gráfica. Estes se constituem em imagens, mapas
temáticos ou planos de informações (PIs). A estrutura de tais tipos de dados pode
ser vetorial ou matricial.
Dados Vetoriais
Na estrutura vetorial, a localização e a feição geométrica do elemento são
armazenadas e representadas por vértices definidos por um par de coordenadas.
Dependendo da sua forma e da escala cartográfica, os elementos podem ser
expressos pelas seguintes feições geométricas (Figura 2.2a):
Pontos – representados por um vértice, ou seja, por apenas um par de
coordenadas, definindo a localização de objetos que não apresentam área nem
comprimento. Exemplos: hospital representado em uma escala intermediária ou
cidade em uma escala pequena, epicentro de um terremoto.
Linhas poligonais ou arcos – representados por, no mínimo, dois vértices
conectados, gerando polígonos abertos que expressam elementos que possuem
comprimento ou extensão linear. Exemplos: estradas, rios.
Polígonos - representados por, no mínimo, três vértices conectados, sendo
que o primeiro vértice possui coordenadas idênticas ao do último, gerando, assim,
polígonos fechados que definem elementos geográficos com área e perímetro.
Exemplos: limites políticos-administrativos (municípios, estados), classes de mapas
temáticos (uso e cobertura do solo, pedologia).
22
Figura 2.2a: Representação geométrica dos elementos geográficos.
Fonte: ESRI (2004)
Os elementos geográficos em uma camada podem ser compostos por um ou
mais elementos gráficos. Os rios de uma bacia hidrográfica, por exemplo, formados
por um conjunto de linhas poligonais, podem estar agrupados e armazenados como
um único elemento. Em uma camada de municípios, aqueles compostos por parte
insular e continental são representados por um conjunto de polígonos agrupados
formando um único elemento. Há casos em que o elemento é representado por um
polígono e outros contidos dentro deste, delimitando “buracos”, como, por exemplo,
um corpo d’água no interior de uma mancha de urbana (Figura 2.2b).
Figura 2.2b: Formação dos elementos geográficos
As feições geométricas (ponto, linha e polígono) utilizadas
para representação dos elementos, bem como a sua estrutura de armazenamento,
estabelecem as relações espaciais entre os elementos geográficos, ou seja,
relações existentes entre si e entre os outros elementos, denominadas de
topológicas (Burrough, 1998). As relações espaciais são percebidas intuitivamente
pelo leitor; ao analisar um mapa, por exemplo, os elementos que fazem fronteiras
com outros elementos são facilmente identificados. Entretanto, como os sistemas
computacionais não são capazes de perceber estas relações, para processamento
de análises espaciais nos SIG, há necessidade que estas sejam definidas
explicitamente nos arquivos digitais que armazenam as feições geométricas dos
elementos.
A estrutura de armazenamento dos dados vetoriais pode ser topológica ou do
tipo spaghetti (RIPSA, 2000). Na estrutura topológica, os relacionamentos espaciais
23
entre os elementos geográficos, representados por nós, arcos e polígonos, estão
armazenados em tabelas. Os nós são uma entidade unidimensional que
representam os vértices inicial e final dos arcos, além das feições pontuais. Os arcos
correspondem a entidades unidimensionais, iniciando e finalizando por um nó,
podendo representar o limite de um polígono ou uma feição linear. Os polígonos,
que representam feições de área, são definidos por arcos que compõem o seu
perímetro. A topologia permite estabelecer as seguintes relações entre os
elementos:
Pertinência – os arcos definem os limites dos polígonos fechados definindo
uma área;
Conectividade – os arcos são conectados com outros a partir de nós,
permitindo a identificação de rotas e de redes, como rios e estradas;
Contiguidade – os arcos comuns definem a adjacência entre polígonos.
Figura 2.2c: Topologia de polígonos, arcos e nós.
Fonte: UNBC GIS LAB (2005)
Na estrutura spaghetti, as coordenadas das feições são armazenadas linha a
linha, resultando em arquivos contendo uma lista de coordenadas. A simplicidade
desta estrutura limita a sua utilização em análises espaciais, já que pode gerar
incongruências como as listadas na Figura 2.2d.
24
Figura 2.2d: Comparação entre a estrutura topológica e spaghetti.
Fonte: Adaptado UNBC GIS LAB (2005)
Dados Raster ou Matriciais
Nesta representação, o espaço é representado como uma matriz P(m, n)
composto de m colunas e n linhas, onde cada célula possui um número de linha, um
número de coluna e um valor correspondente ao atributo estudado e cada célula é
individualmente acessada pelas suas coordenadas.
A representação matricial supõe que o espaço pode ser tratado como uma
superfície plana, onde cada célula está associada a uma porção do terreno. A
resolução do sistema é dada pela relação entre o tamanho da célula no mapa ou
documento e a área por ela coberta no terreno. A Figura 2.2e mostra um mesmo
mapa representado por células de diferentes tamanhos (diferentes resoluções),
representando diferentes áreas no terreno.
25
Figura 2.2e - Dado raster - Mapa temático
Neste tipo de representação, a superfície é concebida como contínua, onde
cada pixel representa uma área no terreno, definindo a resolução espacial. Em dois
documentos visualizados na mesma escala, o de maior resolução espacial
apresentará pixels de menor tamanho, já que discrimina objetos de menor tamanho.
Por exemplo, um arquivo com a resolução espacial de 1 m possui maior resolução
do que um de 20 m, pois o primeiro discrimina objetos com tamanho de até 1 m,
enquanto o segundo de até 20 m (Figura 2.2f). As medidas de área e distância serão
mais exatas nos documentos de maior resolução, mas, por sua vez, eles demandam
mais espaço para o seu armazenamento.
Figura 2.2f: Imagens IKONOS (1m) e SPOT (20 m).
O modelo raster é adequado para armazenar e manipular imagens de
sensoriamento remoto, ou seja, imagens da superfície terrestre geradas a partir da
detecção e do registro, por um sensor transportado em um veículo aéreo ou orbital,
26
da radiação eletromagnética refletida ou emitida por uma área da superfície
terrestre. Os atributos dos pixels representam um valor proporcional à energia
eletromagnética refletida ou emitida pela superfície terrestre. Para identificação e
classificação dos elementos geográficos, é necessário recorrer às técnicas
de processamento digital de imagem e de fotointerpretação.
A resolução do dado raster está associada ao tamanho da célula: quanto
menor a célula melhor a resolução ou qualidade da imagem. Um dado em forma
raster pode ser convertido para um dado vetorial. Esta conversão raster/vetor
depende da qualidade do dado raster o do programa utilizado nesta transformação
(Figura 2.2g).
Figura 2.2g - Relação Vetor x Raster
Dependendo da origem (fonte) de dados que compõem um SIG, serão
obtidos diferentes formatos de dados de acordo com a Tabela 1 a seguir:
Tabela 1 - Coleta de dados gráficos digitais (Base Cartográfica)
DADOS ALFANUMÉRICOS
27
Os dados alfanuméricos são dados constituídos por caracteres (letras,
números ou sinais gráficos) que podem ser armazenado em tabelas, as quais
podem formar um banco de dados.
Em SIG, os dados dispostos nas tabelas devem possuir atributos que possm
vinculá-los á estrutura espacial dos sistema, identificados pelas suas coordenadas, e
atributos específicos, com sua descrição qualitativa ou quantitativa. Esses dados
possuem, portanto, informações a respeito dos mapas a eles vinculados, via seu
“endereço”.
Tais tipos de dados podem estar vinculados a ambas as estruturas espaciais. Em
geral, é preferível o uso de estrutura vetorial para a conexão desses dados.
Topônimos, dados de área, população, indicadores socioeconômicos etc. são alguns
exemplos de dados alfanuméricos que podem ser vinculados a mapas em um SIG.
2.3. APLICAÇÕES
As atividades humanas sempre são desenvolvidas em alguma localidade
geográfica e, portanto podem ser geograficamente referenciadas, desta forma, são
praticamente infindáveis as possibilidades de aplicações de Sistemas de
Informações Geográficas. No entanto, serão relacionadas as aplicações mais
comuns e consagradas mundialmente.
As companhias de gestão de infraestruturas, tais como gás, telefone,
eletricidade, água, esgoto, TV a cabo, entre outras. Cada uma dessas companhias
geralmente possui milhares de consumidores, cada um deles com uma conexão
com a rede de infraestrutura, além disso, necessitam gerenciar milhares de
quilômetros de fios e dutos (subterrâneos e aéreos), com transformadores, chaves,
válvulas, representando muitas vezes bilhões de dólares em infraestrutura instalada.
Os sistemas de informações Geográficas aplicados à gestão de infraestruturas
também recebem o nome de AM/FM (Automatic Mapping/ Facility Management).
Uma companhia de gestão de infraestrutura pode receber milhares de
telefonemas para manutenção em um único dia assim, necessitam gerenciar todas
essas atividades, manter informações acuradas sobre o posicionamento geográfico
de todos consumidores, equipamentos e atividades, manter os registros de
atividades atualizados, realizar avaliações diárias dos serviços executados e ainda
fornecer informações para outras instituições, por exemplo, fornecer as informações
28
sobre a tubulação subterrânea da rede de esgoto para a empresa de telefonia que
necessita cavar um buraco em uma determinada posição geográfica.
No caso de uma empresa responsável por rodovias, se faz necessário,
armazenar informações sobre o estado da pavimentação em toda a rede de
rodovias, além disso, manter um cadastro de toda a sinalização vertical e horizontal
das rodovias e analisar dados de acidentes. Atualmente, algumas localidades no
Brasil e muitos países desenvolvidos, contam com a possibilidade de carros
contendo sistemas de navegação pelo sistema viário, contendo mapas digitais de
ruas e rodovias, conectados a receptores GNSS. Empresas de distribuição de 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
mesmas 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.).
2.4. BANCO DE DADO GEOGRÁFICO
São os conhecidos como atributos descritivos ou dados sem referência
geográfica relativa a dados gráficos. A função dos atributos é fornecer uma
informação descritiva, qualitativa e/ou quantitativa, das características de um objeto
gráfico. Exemplo: rio, atributos: nome, classe.
Cada atributo no SIG está sempre associado a uma entidade gráfica que, por sua
vez, está vinculada a um sistema de coordenadas.
29
Os atributos são estruturados em tabelas que compõem os bancos de dados
alfanuméricos.
Conforme CAMARA (1996), os diferentes fenômenos geográficos, ao se
distribuírem sobre a superfície da Terra, estabelecem padrões de ocupação. Ao
representar tais fenômenos, o Geoprocessamento procura determinar e
esquematizar os mecanismos implícitos e explícitos de sua inter-relação. Estes
Padrões de inter-relação assumem diferentes formas:
Correlação espacial: um fenômeno espacial (ex: topografia) está relacionado com
o entorno de forma tão mais intensa quanto maior for a proximidade de localização.
Dizemos informalmente que “coisas próximas são parecidas”;
Correlação temática: as características de uma região geográfica são moldadas
por um conjunto de fatores. Assim, as formas geológicas, o solo, o clima, a
vegetação e os rios formam uma totalidade interrelacionada. Deste modo, pode-se
traçar pontos de correspondência entre o solo e a vegetação de uma região, que são
dois temas distintos; correlação temporal: a fisionomia da Terra está em constante
transformação, em ciclos variáveis para cada fenômeno. Cada paisagem ostenta as
marcas de um passado mais ou menos remoto, apagado ou modificado de maneira
desigual, mas sempre presente (DOLFUS, 1991);
Correlação topológica: de particular importância na representação
computacional, as relações topológicas como adjacência, pertinência e interseção,
permitem estabelecer os relacionamentos entre os objetos geográficos que são
invariantes: rotação, translação e escala.
A base de dados no SIG é composta por dois tipos de dados - geométrico ou
espacial e não geométrico ou descritivo armazenados numa série de arquivos. O
SIG tem a capacidade de ligar esses dois tipos de dados e estabelecendo uma
relação entre eles, através das ferramentas de geoprocessamento.
Os dados espaciais, que geralmente descrevem as feições da superfície
terrestre, são representados por pontos, linhas e polígonos. Um sistema (X,Y) de
coordenadas (cartesianas) é usado para referenciar as feições.
No entanto, existe a necessidade de uma informação adicional sobre os mapas
na relação espacial entre as feições que é a topologia. A Topologia, como já citado,
é um procedimento matemático para definir explicitamente as relações espaciais
entre elementos. Nos mapas digitais, por exemplo, a topologia, define conexões
30
entre as feições, identifica polígonos adjacentes e pode definir uma feição ou um
conjunto de feições.
O banco de dados descritivos armazena os atributos das feições. Estes atributos
podem ser nominais (tipo de solo, floresta, etc.) ou escalares (altitudes,
profundidades, índices, etc.). A Tabela 2.4 mostra a relação entre dados espaciais e
descritivos.
Observa-se que as medidas planas das representações gráficas são calculadas
automaticamente pelo sistema (área, comprimento, perímetro).
O projeto da base de dados geográficos de um SIG, passa, em geral, por três
fases principais:
• Identificação de feições geográficas e atributos;
• Organização das camadas (layers) de informação geográfica;
• Definição do armazenamento.
O banco de dados deve refletir os objetivos do usuário na utilização do sistema.
É importante dedicar algum tempo nas fases iniciais do projeto do banco de dados,
antes de automatizá-lo, pois, desta forma, assegura-se a real necessidade de certa
gama de dados para a geração de análises espaciais compatíveis com o objetivo do
sistema.
Um banco de dados bem projetado, proporcionará o contínuo reaproveitamento
das informações para outras análises que se fizerem necessárias.
À medida que o volume e os tipos de dados armazenados aumentam, é
necessário utilizar de softwares específicos para gerenciamento de dados. Os
Sistemas de Gerenciamento de Banco de Dados, SGBDs, objetivam disponibilizar a
diferentes usuários acesso ao banco de dados além de manter a integridade dos
mesmos.
31
Tabela 2.4 – Relação entre dados espaciais e descritivos(ex.: Geologia).
2.5. ANÁLISE ESPACIAL
A análise espacial num SIG pressupõe o conhecimento das relações
espaciais entre as entidades geográficas fundamentais. A topologia é um conceito
fundamental nos SIG, especialmente na análise espacial associada ao modelo
vetorial de dados espaciais. É a topologia que define as relações espaciais entre os
diferentes elementos gráficos (pontos linhas, linhas e áreas), isto é, a posição
relativa de cada elemento gráfico em relação aos restantes.
Embora as aplicações de análise espacial nos SIG ainda sejam limitadas, estes
sistemas dispõem de várias funções analíticas que servem à etapa exploratória ou
descritiva do processo de análise espacial. (MENESES, 2003).
Existe a ferramenta buffer que executa operações de busca de atributos de
entidades pertencentes a uma camada geográfica específica, que estão localizados
a uma determinada distância de entidade de referência. Por sua vez, a ferramenta
spatial join consiste em operações espaciais realizadas com base no relacionamento
topológico entre entidades geográficas de camadas diferentes (MILLER e SHAW,
2001)
Segundo [ALV 90a], um SIG deve fornecer operações para a recuperação de
informações segundo critérios de natureza espacial e não espacial. As linguagens
de consulta de SGBDs convencionais são adequadas para a recuperação de
informações segundo critérios não espaciais. O SIG deve ser capaz de manipular
32
dados espaciais e recuperar informações com base em conceitos como
proximidade, pertinência, adjacência, interseção, etc.
Existe atualmente uma enorme variedade de funções de manipulação e análise de
dados disponíveis nos sistemas. Além disso, novas funções estão sempre sendo
adicionadas ao conjunto das já existentes. Porém, não existe uma padronização dos
nomes dessas funções, sendo comum a existência de funções com comportamento
idêntico, porém com nomes diferentes [NCG 90].
Segundo ARONOFF (1989), existem quatro grandes categorias de funções a
considerar na análise espacial em SIG:
- Funções de acesso ou pesquisa, classificação e medição - através deste conjunto
de funções é possível ter acesso à informação gráfica e alfanumérica, possibilitando
a realização de operações de Query-Display (pesquisa gráfica e pesquisa por
atributos). Ao se efetuar um processo de análise espacial deste tipo só os atributos
alfanuméricos podem
ser criados e alterados.
- Funções de superposição de mapas (overlay) - este tipo de função de análise
espacial constitui, em termos estruturais, um processo semelhante à manipulação de
dados relacionais em tabelas e permite a realização de análises segundo uma
aproximação da álgebra booleana ou da teoria dos conjuntos.
- Funções de análise de vizinhança - neste grupo as operações usualmente mais
desenvolvidas são as de pesquisa, topográficas e de interpolação. A definição de
funções de vizinhança envolve a análise das características da área envolvente a
um local específico. Neste caso, é necessário definir o domínio de aplicação e o tipo
de função a aplicar numa sequência de análise específica.
- Funções de análise de conectividade - estas funções são características da
modelagem de dados matricial e caracterizam-se por permitir a descrição e a
modelagem de processos de difusão e influência espacial. Também neste caso é
necessário definir o domínio da aplicação deste tipo de função em relação à
vizinhança de células, recorrendo à topologia implícita de uma estrutura em
quadrícula. A definição e a simulação de processos de movimento, difusão e
acumulação têm de ser explicitadas na realização de uma operação de análise
espacial. Cada grupo desses é subdividido em outros grupos, como mostra a Figura
2.5ª.
33
Figura 3.5a - Classificação de funções de análise [ARO 89]
Aplicações da análise espacial com sig
Conforme se pode observar, a capacidade de armazenamento e de associação da
informação ao espaço geográfico através de um SIG, torna a análise espacial uma
ferramenta de grande auxílio aos planejadores e tomadores de decisão. Isto pode
ser observado nos exemplos de aplicação apresentados a seguir.
Para o Planejamento dos Transportes
Na área de transporte evidencia-se a utilização de SIG como ferramenta de auxilio
para resolução de diferentes tipos de problemas: gerência de pavimentos, transporte
coletivo, rodoviário e de carga, engenharia do tráfego, localização de facilidades e
planejamento de transportes. (MENESES, 2003). A análise espacial em muitos
casos não se verifica, por se tratar apenas de uma informação associada a uma
rede ou um espaço territorial. Porém, já existem alguns trabalhos em se procura
verificar uma correlação entre o valor do dado e sua localização no espaço
geográfico.
Meio Ambiente e Transporte
Trabalhos que envolvem o planejamento ou o gerenciamento ambiental requerem
um bom diagnóstico da área de interesse, o qual deve abranger a caracterização
fisiografia, biológica e humana do local ou região, bem como as inter-relações entre
34
esses fatores, possibilitando a compreensão de sua dinâmica. É grande a
quantidade de informações necessárias para se chegar a tal diagnóstico, bem como
é difícil sua manipulação se não se dispuser de um sistema organizado e,
preferencialmente, informatizado, que auxilie nessa tarefa.
Como exemplo da aplicação do SIG neste aspecto tem-se a análise da poluição
atmosférica gerada pela emissão de gases e material particulado proveniente do
tráfego de veículos automotores num trecho rodoviário. Para tanto, utilizou-se como
ferramenta um Sistema de Informações Geográficas, o ArcView 3.3, associado a um
modelo de previsão de poluição por material particulado a partir de dados de tráfego
de veículos. (PEREIRA, 2004)
Ocupação do Solo e Meio Ambiente
As análises espaciais se constituem na chave para a resolução de problemas na
gestão do ambiente, principalmente se o usuário puder sintetizar e exibir dados
espaciais de muitas maneiras, bem como, combinar múltiplos temas para descobrir
suas relações espaciais.
2.6. CARTOGRAFIA
Segundo [OLI 93], a palavra mapa, que é de origem cartaginesa, significava "toalha
de mesa". Os antigos comerciantes e navegadores, definiam suas rotas de viajem
desenhando diretamente sobre as toalhas (mapas), dando origem ao termo.
Tradicionalmente, os mapas têm sido as principais fontes de dados para os SIG. Um
mapa é uma representação, em escala e sobre uma superfície plana, de uma
seleção de características abstratas sobre ou em relação à superfície da terra [NCG
90]. A confecção de um mapa requer, entre outras coisas, a seleção das
características a serem incluídas no mapa, a classificação dessas características em
grupos, a simplificação para representação, a ampliação de certas características
para que possam ser representadas e a escolha de símbolos para representar as
diferentes classes. Mapas topográficos têm sido tradicionalmente elaborados com o
objetivo de atender a uma infinidade de propósitos, enquanto que os mapas
"temáticos" são elaborados com objetivos mais específicos por conter informações
sobre um único tipo de objeto, por exemplo, para representar a hidrografia de uma
região, estradas de rodagem, tipos de solos, etc [BUR 86]. Em um SIG, a ideia de
mapas "temáticos" é utilizada através do conceito de camadas, onde, para uma
mesma região podem ser criadas diversas camadas de dados, uma para cada tema
35
a ser representado (Figura 2.1). Isto facilita a realização de operações de análise.
Por exemplo, os SIG fornecem ferramentas de análise que são capazes de obter
resultados para consultas do tipo: "Identifique todas as áreas com um determinado
tipo de solo e que estejam acima de uma determinada altitude", o que seria feito a
partir da combinação de dois mapas temáticos, um sobre tipos de solos e outro
sobre altimetria.
Figura 2.6a - Conjunto de temas sobre uma mesma região espacial [RAM 94]
36
3. SENSORIAMENTO REMOTO
3.1. HISTÓRICO E DEFINIÇÕES;
O sensoriamento remoto teve início com a invenção da câmara fotográfica
que foi o primeiro instrumento utilizado e que, até os dias atuais, são ainda utilizadas
para tomada de fotos aéreas.
As aplicações militares quase sempre estiveram à frente no uso de novas
tecnologias, e no SR não foi diferente. Relata-se que uma das primeiras aplicações
do SR foi para uso militar. Para isto foi desenvolvida, no século passado, uma leve
câmara fotográfica com disparador automático e ajustável. Essas câmaras,
carregadas com pequenos rolos de filmes, eram fixadas ao peito de pombos-correio,
que eram levados para locais estrategicamente escolhidos de modo que, ao se
dirigirem para o local de suas origens, sobrevoavam posições inimigas. Durante o
percurso, as câmaras, previamente ajustadas, tomavam fotos da área ocupada pelo
inimigo. Vários pombos eram abatidos a tiros pelo inimigo, mas boa parte deles
conseguia chegar ao destino. As fotos obtidas consistiam em valioso material
informativo, para o reconhecimento da posição e infra-estrutura de forças militares
inimigas. Assim teve início uma das primeiras aplicações do SR.
No processo evolutivo das aplicações militares, os pombos foram substituídos
por balões não tripulados que, presos por cabos, eram suspensos até a uma altura
suficiente para tomadas de fotos das posições inimigas por meio de várias câmaras
convenientemente fixadas ao balão. Após a tomada das fotos, o balão era puxado
de volta e as fotos reveladas eram utilizadas nas tarefas de reconhecimento.
Posteriormente, aviões foram utilizados como veículos para o transporte das
câmaras. Na década de 60 surgiram os aviões norte americanos de espionagem
denominados U2. Estes aviões, ainda hoje utilizados em versões mais modernas,
voam a uma altitude acima de 20.000 m o que dificulta o seu abate por forças
inimigas. Conduzido por apenas um piloto eles são totalmente preenchidos por
sensores, câmaras e uma grande variedade de equipamentos. Estes aviões têm
sido utilizados também para uso civil.
A grande revolução do SR aconteceu no início da década de 70, com o
lançamento dos satélites de recursos naturais terrestres. Os satélites, embora
37
demandem grandes investimentos e muita energia nos seus lançamentos, orbitam
em torno da Terra por vários anos.
Durante sua operação em órbita o consumo de energia é mínimo, pois são
mantidos a grandes altitudes onde não existe resistência do ar e a pequena força
gravitacional terrestre é equilibrada pela força centrífuga do movimento orbital do
satélite. Estes aparatos espaciais executam um processo contínuo de tomadas de
imagens da superfície terrestre coletadas 24 h/dia, durante toda a vida útil dos
satélites.
A evolução de quatro segmentos tecnológicos principais determinou o
processo evolutivo do SR por satélites: a) Sensores – são os instrumentos que
compõem o sistema de captação de dados e imagens, cuja evolução tem
contribuído para a coleta de imagens de melhor qualidade e de maior poder de
definição. b) Sistema de telemetria – consiste no sistema de transmissão de dados e
imagens dos satélites para estações terrestres, e tem evoluído no sentido de
aumentar a capacidade de transmissão dos grandes volumes de dados, que
constituem as imagens. c) Sistemas de processamento – consistem dos
equipamentos computacionais e softwares destinados ao armazenamento e
processamento dos dados do SR. A evolução deste segmento tem incrementado a
capacidade de manutenção de acervos e as potencialidades do tratamento digital
das imagens. d) Lançadores – consistem das bases de lançamento e foguetes que
transportam e colocam em órbita, os satélites. A evolução deste segmento tem
permitido colocar, em órbitas terrestres, satélites mais pesados, com maior
quantidade de instrumentos, e consequentemente, com mais recursos tecnológicos.
Na verdade a evolução do SR é fruto de um esforço multidisciplinar que
envolveu e envolve avanços na física, na físico-química, na química, nas biociências
e geociências, na computação, na mecânica, etc...
Nos dias atuais o SR é quase que totalmente alimentado por imagens obtidas
por meio da tecnologia dos satélites orbitais.
Existem várias séries de satélites de SR em operação, entre eles podemos
citar: LANDSAT, SPOT, CBERS, IKONOS, QUICKBIRD e NOAA. Os satélites das
cinco primeiras séries são destinados ao monitoramento e levantamento dos
recursos naturais terrestres, enquanto que os satélites NOAA fazem parte dos
38
satélites meteorológicos, destinados principalmente aos estudos climáticos e
atmosféricos, mas são também utilizados no SR.
O principal objetivo do Sensoriamento Remoto (SR) é expandir a percepção
sensorial do ser humano, seja através da visão sinóptica (panorâmica) dada pela
visão aérea ou espacial seja pela possibilidade de se obter informações em regiões
do espectro eletromagnético inacessíveis à visão humana. O SR expande a
oportunidade, o acesso, uma visão sinóptica do terreno permitindo a análise de um
modelo da superfície trazido para ser analisado dentro do laboratório.
A seguir são apresentadas algumas definições para o sensoriamento remoto.
Segundo Novo (1989), o sensoriamento remoto é a utilização de sensores para a
aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto
entre eles.
Segundo Rosa (1995), o sensoriamento remoto é uma forma de se obter
informações de um objeto ou alvo, sem que haja contato físico com o mesmo.
Segundo Florenzano (2002), Sensoriamento Remoto é a tecnologia que permite
obter imagens e outros tipos de dados, da superfície terrestre, através da captação e
do registro da energia refletida ou emitida pela superfície. O termo sensoriamento
refere-se à obtenção dos dados, e remoto, que significa distante, é utilizado porque
a obtenção é feita à distância, ou seja, sem contato físico entre o sensor e a
superfície terrestre.
A Figura 3a. ilustra as principais etapas do sensoriamento remoto.
39
O processo de sensoriamento
remoto envolve 7 etapas, sendo:
A - Fonte de energia ou
iluminação;
B - Radiação e atmosfera;
C - Interação com o alvo;
D - Registro da energia pelo
sensor;
E - Transmissão, recepção e
processamento;
F - Interpretação e análise;
G - Aplicação.
Figura 3a – Etapas do sensoriamento remoto. Fonte: CCRS (2005).
3.2. PRINCÍPIOS FÍSICOS DO SR
A primeira exigência do Sensoriamento Remoto é a existência de uma fonte
de energia para iluminar o objeto (a menos que a energia detectada esteja sendo
emitida pelo objeto). A energia com a qual operam os sensores remotos pode ser
proveniente de uma fonte natural, como a luz do sol e o calor emitido pela superfície
da Terra, e pode ser de uma fonte artificial como exemplo, a do flash utilizado em
uma máquina fotográfica e o sinal produzido por um radar. A energia emitida pelo
Sol é composta por ondas ditas elétricas e magnéticas, por isto é denominada de
radiação eletromagnética (REM).
A radiação eletromagnética se comporta em forma de ondas eletromagnéticas com a
velocidade da luz (300.000 km por segundo). Ela é medida em frequência (em
unidades de hertz-Hz), e comprimento de onda –1 (em unidades de metro). A
frequência de onda (f) é o número de vezes que uma onda se repete por unidade de
tempo. Dessa maneira, como indicado na Figura 3b, quanto maior for o número de
repetições, maior será a frequência e, quanto menor, menor será a frequência de
onda. O comprimento de onda (λ) é a distância entre dois picos de ondas
sucessivas: quanto mais distantes, maior é o comprimento de onda e, quanto menos
distante, menor será o comprimento de onda (Figura 3c). O comprimento de onda é
40
medido em metros (m) ou para comprimentos de onda menores em centímetros (cm,
10-2 metros), micrômetros (μm, 10-6 metros) ou nanômetros (nm, 10-9 metros). A
frequência de onda é diretamente proporcional à velocidade de propagação e
inversamente proporcional ao comprimento de onda.
Figura 3b – Diagrama de ondas de diferentes frequências que correspondem ao
número de cristas de um mesmo comprimento de onda que passam por um ponto
em um segundo. Fonte: CCRS (2005).
41
Figura 3c – Comprimento de onda (λ) e frequência. Fonte: CCRS (2005).
Segundo a literatura, a palavra espectro (do latim "spectrum", que
significa fantasma ou aparição) foi usada por Isaac Newton, no século
XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu, quando numa
experiência a luz do Sol atravessou um prisma de vidro em sua trajetória.
Atualmente chama-se espectro eletromagnético à faixa de frequências
e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos
de ondas eletromagnéticas, como apresentado na Figura 3d. O espectro
está dividido em regiões ou bandas cujas denominações estão
relacionadas com a forma com que as radiações podem ser produzidas
ou detectadas. Embora os limites de cada banda não sejam bem
definidos, podem ser destacadas as seguintes regiões, como observado
na Figura 3d.
Figura 3d– Espectro Eletromagnético. Fonte: Figueiredo (2005).
É possível destacar algumas bandas do espectro e suas
características mais notáveis:
1. A pequena banda denominada visível compreende o conjunto de
42
3.3. RESOLUÇÃO ESPACIAL
Para alguns instrumentos de sensoriamento remoto, a distância entre o objeto
a ser imageado e a plataforma, tem um papel importante para determinar o nível de
detalhe da informação obtida e a área total imageada pelo sensor. Sensores a bordo
de plataformas distantes dos objetos, tipicamente observam uma área maior, mas
não podem prover grande detalhe dos objetos imageados. O detalhe discernível em
uma imagem é dependente da resolução espacial do sensor e se refere ao menor
tamanho de objetos possível de ser detectado. Resolução espacial de sensor
passivo depende principalmente do Campo Instantâneo de Visão deles (IFOV). O
IFOV é o cone angular de visibilidade do sensor e determina a área na superfície da
Terra que é imageada a uma determinada altitude em um momento particular. O
tamanho da área imageada é determinado multiplicando-se o IFOV pela distância do
solo até o sensor. Esta área no solo é chamada de elemento de resolução e
determina a resolução espacial máxima do sensor. Para um objeto homogêneo a ser
detectado, seu tamanho geralmente tem que ser igual ou maior que o elemento de
resolução. Se o objeto é menor que ele, pode não ser detectável uma vez que o
brilho médio de todos os objetos no elemento de resolução é o que será registrado.
Porém, objetos menores podem as vezes ser detectáveis se a reflectância deles
dominar dentro de um elemento de resolução particular e nesse caso, pode ocorrer
a detecção ao nível de sub-pixel. Pixels de imagem normalmente são quadrados e
representam uma certa área em uma imagem.
A palavra pixel é derivada do termo em inglês “picture element” (elemento de
foto). É importante distinguir entre tamanho do pixel e resolução espacial - eles não
são intercambiáveis. Se um sensor tem uma resolução espacial de 20 metros e uma
imagem daquele sensor é exibida com resolução total, i.e., sem degradação da
imagem, cada pixel representa uma área de 20m x 20m no solo. Neste caso o
tamanho do pixel e a resolução são o mesmo. Porém, é possível exibir uma imagem
com um tamanho de pixel diferente da resolução. Imagens em que só objetos
grandes são visíveis são ditas de resolução grossa ou baixa (Figura 3.3a - A). Em
imagens de resolução alta ou fina (Figura 3.3b - B), podem ser detectados objetos
pequenos. De modo geral, quanto melhor a resolução, menor a área de terreno que
pode ser vista.
43
A razão entre a distância em uma imagem ou mapa, para distância real no
terreno é chamada Escala. Se um mapa tem uma Escala de 1:100.000, um objeto
de 1cm de tamanho no mapa seria de fato um objeto de 100.000 cm ou de 1 km de
tamanho no solo. Mapas ou imagens com pequenas razões (mapa-terreno) são
chamados de mapas de pequena escala (por exemplo, 1:100.000), e aqueles com
grandes razões (por exemplo 1:5.000) são chamados de grande escala.
Figura 3.3a – A – Imagem de baixa resolução; B- Imagem de alta
resolução. Fonte: CCSR (2005).
3.4. RESOLUÇÃO TEMPORAL
Refere-se à frequência que o sensor revisita uma área e obtém imagens
periódicas ao longo de sua vida útil. Isso só é possível porque os satélites de
sensoriamento remoto executam uma órbita heliossíncrona, que é um caso
particular de uma órbita semipolar. O plano de órbita é sempre fixo e ortogonal ao
sentido de rotação da Terra. Assim, o satélite passa sobre o mesmo ponto da
superfície da Terra na mesma hora. Orbitam com uma inclinação em relação ao
equador de 97º a 98o a uma altitude nominal próxima de 550 a 900
km e o tempo de viagem para completar uma órbita é de aproximadamente 90
minutos. Num tempo de 24 horas, aproximadamente 14 órbitas se completam.
Considerando-se que os sensores a bordo dos satélites conseguem imagear
somente uma faixa da Terra com algumas dezenas ou centenas de quilômetros de
largura, as 14 órbitas imageadas em um dia ficam
44
distanciadas entre si de milhares de quilômetros devido às velocidades relativas de
órbita do satélite, e da rotação da Terra no sentido de oeste para leste. A cada novo
dia, a posição da órbita progride na direção oeste. Esse processo de cobertura pode
ser exemplificado considerando-se as características de imageamento do satélite
Landsat (Figura 3.4a). Cada órbita do Landsat cobre uma faixa no terreno de 185
km de largura. As órbitas tomadas no mesmo dia se distanciam entre si de 2.875 km,
sendo necessários 16 dias para concluir o recobrimento total do globo. O princípio é
o mesmo para qualquer outro satélite. O que irá variar é a resolução temporal do
imageamento, pois cada sensor imageia faixas no terreno de larguras diferentes.
A resolução temporal é fundamental para acompanhar ou detectar a evolução
ou mudanças que ocorrem na Terra, principalmente para alvos mais dinâmicos,
como o ciclo fenológico de culturas, desmatamentos, desastres ambientais, tendo
forte impacto na monitoração ambiental. A Figura 3.4b é um exemplo de uma área
agrícola com vários pivôs de irrigação, e que no intervalo de nove anos mostra as
alterações no parcelamento dos cultivares e aumento do número de pivôs.
Atualmente, pela facilidade com que se pode reposicionar a visada de um sensor, de
nadir para off nadir (fora da vertical), muitos satélites oferecem a possibilidade de
revistas à área em espaços de tempo de dois a três dias.
Fig. 3.4a Padrão de recobrimento de órbitas completadas em um único dia pelo
satélite Landsat (a) e no período da resolução temporal de 16 dias (b). (Fonte: Novo,
1996).
45
Fig. 3.4b Imagens Landsat de área agrícola obtidas nos anos de 2000 (a) e
2009 (b). Notar o crescimento de pivôs centrais e a modificação do parcelamento
dos cultivares.
3.5. RESOLUÇÃO ESPECTRAL
Como mencionado anteriormente, a REM é decomposta, pelos sensores, em
faixas espectrais de larguras variáveis. Estas faixas são denominadas bandas
espectrais. Quanto mais estreitas forem estas faixas espectrais, e/ou quanto maior
for o número de bandas espectrais captadas pelo sensor, maior é a resolução
espectral da imagem. Imagens Landsat / TM, por exemplo, têm 7 bandas: 0,45 µm a
0,52 µm, 0,52 µm a 0,60 µm, 0,63 µm a 0,69 µm, 0,76 µm a 0,90 µm, 1,55 µm a 1,75
µm, 2,08 µm a 2,35 µm, 10,4 µm a 12,5 µm (Figura 4.23). Muitos sistemas sensores
registram energia ao longo de intervalos separados de comprimentos de onda com
várias resoluções espectrais distintas. Desta forma, são chamados sensores multi-
espectrais. Atualmente existem sistemas bastante avançados em termos multi-
espectrais são os chamados sensores hiperespectrais, que cobrem centenas de
faixas espectrais muito estreitas ao longo do visível, infravermelho próximo, e
porções do infravermelho médio do espectro eletromagnético. A resolução espectral
alta facilita a discriminação entre objetos diferentes com base nas suas respostas
espectrais em cada faixa estreita.
46
Figura 3.5a – Bandas Espectrais do sensor Thematic Mapper -TM.
Fonte: INPE (2003).
3.6. RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA
Refere-se à capacidade do sistema sensor em detectar as variações da
radiância espectral recebida. A radiância de cada pixel passa por uma codificação
digital, obtendo um valor numérico, expresso em bits, denominado de Número Digital
(ND). Este valor é facilmente traduzido para uma intensidade visual ou ainda a um
nível de cinza, localizado num intervalo finito (0, K-1), onde K é o número de valores
possíveis, denominados de níveis de quantização(SCHOWENGERDT,1983).
O número de níveis de cinza está expresso em bits, ou seja, expresso em
função do número de dígitos binários necessários para armazenar, em forma digital,
o valor do nível máximo de cinza. O seu valor é sempre em potência de 2, por
exemplo 8 bits significam 28 = 256 níveis de cinza. As diferenças são maiores nos
níveis 2 e 4 do que nos níveis 256 e 2048, devido ao fato do olho humano não
possuir sensibilidade às mudanças de intensidade acima de 30 níveis de cinza
(Crosta, 1993). A Figura 3.6a ilustra essa diferença de níveis de cinza.
47
Figura 3.6a: Diferença de resolução radiométrica, em área urbana. Fonte: MELO,
2002
3.7. IMAGENS ÓPTICAS
Os sensores passivos, tal como a fotografia, detecta e armazena energia solar ou
terrestre refletida ou emitida pelos objetos da superfície (Ex: imagens de satélite
Landsat e Spot). As imagens deste tipo de sensor irão depender das condições
atmosféricas, pois áreas com nuvens ou bruma não serão imageadas
adequadamente. As características físico-químico dos alvos imageados permitirão
que a energia refletida seja registrada diferentemente em cada porção do espectro
eletromagnético (Figura 3.7a). Os sensores ativos, tal como o radar, gera energia ou
radiação que é refletida pelos objetos do solo. A energia refletida pode ser
armazenada em meio fotográfico ou na forma digital. Os sensores de microondas
são um exemplo, pois detectam energia de 0.1 a 25 cm, onde a absorção
atmosférica é mínima. A energia emitida para os objetos é refletida por esses ao
sensor ( Ex: Radarsat, ERS-1). O imageamento independe das condições
atmosféricas.
A localização de pixels (picture element) na imagem é determinada através de um
sistema bidimensional de linhas e colunas, expressas em coordenadas X e Y. A
imagem organizada desta forma num reticulado de linhas e colunas é denominada
48
dado raster ou formato matricial. A imagem está relacionada a uma função
bidimensional de intensidade da luz f (x, y), onde x e y são coordenadas espaciais
linhas e colunas. Existe ainda uma outra variável z relacionada à variação tons de
cinza da imagem. O valor de z é denominado, digital number- DN, ou tom de cinza
(A imagem digital pode ser representada por uma matriz de linhas x, colunas y e z
para os DN. Desta forma, uma imagem digital é uma função discreta f (x, y), definida
por uma grade regular de m linhas e n colunas, representada por: f (i,j), onde : 0<i<j<
n-1; para f variando de [0 ,k-1]; onde, k= níveis de cinza (DN). Cada elemento dessa
matriz (i, j) é determinado por elementos da imagem, pixel. Este sistema poderá ser
transformado para um sistema cartográfico de coordenadas através de pontos de
controle reconhecíeis na imagem. Desta forma, uma imagem devidamente tratada,
poderá servir de base para à concepção de carta imagem (uma fonte de dados para
Sistema de Informações Geográficas).
Em geral imagens de sensoriamento remoto apresentam-se como arquivo
multibanda (conjuntos de várias imagens referentes às faixas espectrais) ou banda
simples (ex. imagem digitalizada), de formato contínuo. Para cada (linha , coluna)
existe um z (nível de cinza). Um dado contínuo é aquele que contém um conjunto
valores contínuos para os DNs (Ex. Landsat, Spot, MDT). Um outro tipo de formato
muito comum é o temático, oriundo de imagens processadas de uma banda,
associada a uma tabela de atributo. Esta imagem está vinculada a dados qualitativos
e/ou categóricos (Ex: mapa de uso do solo, vegetação), este tipo de dado é bastante
comum ao SIG. A imagem temática pode ser descontínua, pois determinado pixel
pode não estar associado à determinada classe ou valor. Atualmente existem vários
formatos para as imagens dependendo do software disponível, contudo o formato
mais comumente utilizado é o tiff ou geotiff. 4- SISTEMAS SENSORES 4.1- Sistema
Imagens LANDSAT Talvez a mais importante fonte de dados digitais em forma de
imagens sobre a superfície terrestre pertence ao conjunto de satélites do projeto
Landsat, programa lançado pela NASA a partir de 1972 para aquisição contínua de
dados digitais de sensoriamento remoto (NASA, 1988). Landsat 4 foi lançado em
julho de 1982 e o Landsat 5 em março de 1984. O Landsat 6 caiu e nunca entrou em
fase operacional. O Landsat 7 foi lançado em abril de 1999, tendo funcionado
normalmente até março de 2003 quando interrompeu-se a captação de imagens por
problemas técnicos. As imagens apresentam distorções o que inviabilizou o seu uso
49
comercial. A nova geração de satélite Landsat está prevista para 2007. Apesar dos
problemas é ainda hoje o sistema Landsat o maior provedor de imagens sobre a
superfície terrestre, figura 3.7
Figura 3.7a: Característica da captação da Imagem
Sistema SPOT O programa SPOT: (Systéme Probatoire de l’Observation de la
Terre) foi planejado e projetado como um sistema operacional e comercial.
Estabelecido pelo governo francês em 1978, com a participação da Suécia e
Bélgica, o programa é gerenciado pelo Centro Nacional de Estudos Espaciais –
CNES (Tolouse-França), que é o responsável pelo desenvolvimento do programa e
operação dos satélites. Já foram lançados os SPOT 1, 2 e 3 ,4 e o mais recente
Spot 5 em 2002. O SPOT 5 apresenta maior detalhamento,mantendo as mesmas
faixas de observação. Dois novos instrumentos HRG (High-Resolution Geometric)
imageiam com 5 m de resolução em Pancromático e 2.5 metros em "supermode".
Cada um dos dois instrumentos recobre uma faixa de 60 Km no solo, dentro de um
corredor potencial de visibilidade de ±420 km. Da mesma forma que os sensores dos
antecessores do SPOT 5, os instrumentos HRG podem imagear igualmente em
modo multiespectral em 4 bandas (faixa espectral da luz verde, vermelho,
infravermelho próximo e infravermelho médio) . Graças as bandas no infravermelho
o SPOT 5 permite uma maior aplicabilidade ao mapeamento temático. Se
comparado com seu antecessor (SPOT 4) ainda em funcionamento pode-se resumir
50
as inovações a partir dos seguintes aspectos: ¾ 5 m e 2.5 m de resolução em P&B
no modo Pancromático, contra 10m anteriormente; ¾ 10 m de resolução em cores
contra 20 m anteriormente; ¾ A área recoberta por cada cena será mantida 60 km x
60 km. ¾ Resolução temporal de 3 a 5 dias. Estas características permitem o uso
das imagens SPOT 5 para aplicações nas escalas entre 1:10.000 e 1:50.000.
Atualmente este tipo de imagem vem sendo utilizado com vistas a atualização do
mapeamento sistemático.
Figura 3.7b: Característica da captação da Imagem.
IKONOS: O satélite IKONOS lançado em 1999, foi o primeiro de alta resolução
espacial de 1m na banda pancromática e de 4 metros nas bandas multiespectral. A
Tabela 5 mostra as principais características das imagens e do satélite IKONOS.
Tabela 5- Características da Imagem Ikonos (Adaptado, Engesat, 2003)
51
Outros sistemas:
Existe no mercado um grande numero de satélites dentre os quais podemos citar: a)
CBERS: China Brazil Earth Resources Satellite. Lançado em 1999 na China, o
satélite sino-brasileiro passou a gerar imagens comerciais a partir do segundo
semestre de 2000; b) IRS: Indian Remote Sensing Satellite, possui a pancromática
de 5 m de resolução, cada uma recobrindo 70 por 70 Km; c) ASTER (Advanced
Spacebone Thermal Emission and Reflection Radiometer) é um dos Instrumentos a
bordo do satélite EOS AM-1 e obtém imagens de alta resolução (15 a 90 m); d)
NOAA : são satélites originariamente concebidos para observação de dados
meteorológicos, no entanto estes dados tem sido utilizados em agronomia e
oceanografia. O primeiro satélite foi lançado em 1978. Abrange pequenas escalas
visto que apresenta uma resolução espacial de 1.1 x 1.1 km e a varredura é de 2700
km. Entre outros.
3.8. IMAGENS DE RADAR
A formação de uma imagem SAR requer o processamento coerente do sinal de
retorno recebido após a emissão dos pulsos. O processamento do sinal é,
52
geralmente, dividido em duas etapas: o processamento em UDQJH e o
processamento em azimute. O sinal recebido (complexo) de cada pulso emitido é
demodulado em fase (,) e quadratura (4), amostrado (dada uma função de
referência) e convertido para o formato digital (para formar uma sequência de
dados). A sequência de dados formada é denominada UDQJH ELQ ou UDQJH
JDWH e irá formar uma linha da imagem, com número de SL[HOV dependente da
taxa de amostragem empregada no sinal. Esta taxa de amostragem define o
espaçamento entre centros de SL[HOV (SL[HO VSDFLQJ). À medida que o sensor
se desloca (na direção azimutal), o processamento dos pulsos emitidos irá compor
as colunas da imagem (processamento em azimute). Em Mura (1990, 1991) e
Fernandes (1993), o processamento SAR para a formação de uma imagem é
descrito detalhadamente. As imagens SAR complexas obtidas pelo processo de
demodulação coerente podem ser representadas pelas suas componentes em fase
(,) e quadratura (4), como dito anteriormente. Contudo, estas imagens ainda podem
ser representadas em intensidade ou amplitude, dependendo apenas do tipo de
detecção realizada, quadrática ( 2 2 , + 4 ) ou linear ( 2 2 , + 4 ), respectivamente. As
diferenças existentes entre estas formas de se representar as imagens SAR podem
ser observadas na Figura 3.8a, de onde nota-se a impossibilidade de se visualizar
qualquer tipo de feição (alvos) nas componentes complexas.
53
Figura 3.8a: Diferenças existentes entre estas formas de se representar as imagens
SAR.
As imagens em amplitude ou em intensidade resultantes podem ser
armazenadas no formato original em 32 ELWV, onde o valor de cada SL[HO é
representado por um número real, positivo e de simples precisão. Muitas vezes, este
valor pode ser quantizado (discretizado) para 8 ou 16 ELWV, resultando em imagens
com 256 ou 65536 níveis de cinza (valores inteiros e positivos), respectivamente.
Com o processo de discretização, em geral, procura-se manter a proporcionalidade
entre o nível de cinza e o sinal de retorno. É importante lembrar que as propriedades
estatísticas da imagem podem ser alteradas com o processo de discretização da
imagem, assim como a discriminação de feições.
54
3.9. APLICAÇÕES
Em estudos para fins de levantamentos, monitoramento ou mapeamento, com uso
de imagens de satélites, algumas etapas devem ser seguidas, entre elas: definição
dos objetivos e da área de estudo, revisão bibliográfica, coleta de dados, escolha
das bandas espectrais, (veja tabela), definição da escala, aquisição de imagens e de
outros produtos necessários, processamento (no caso de produtos digitais), análise
e interpretação visual preliminar, trabalho de campo, processamento, análise e
interpretação visual final, elaboração e impressão de mapas e relatório. O SR
possibilita aplicações em inúmeras áreas: agricultura, meio ambiente, geologia,
recursos hídricos, estudo de solos, florestas, etc. A título de ilustração, a seguir é
apresentado um exemplo de aplicação na agricultura. Várias aplicações do SR
podem ser utilizadas no campo da Agricultura: previsão de safras, mapeamento de
culturas, definição de áreas de aptidão agrícola, zoneamento agro-ecológico,
monitoramento de incêndios em lavouras e pastagens, etc. Na previsão de safras,
por exemplo, o SR pode ser utilizado em dois segmentos: no dimensionamento das
áreas de plantio e na estimativa do rendimento. No cálculo da área de plantio é
necessário proceder a identificação e mapeamento das lavouras de interesse, isto
exige normalmente registro das imagens ou fotos aéreas, de modo a georeferenciá-
las. Este georeferenciamento permite localizar e mapear lavouras, seja dentro de
propriedades ou dentro de municípios de interesse. Este georeferenciamento é
necessário no sentido de se evitar erros tais como adicionar a um município áreas
pertencentes ao outros, ou deixar de computar em um município áreas cultivadas no
mesmo. Outro tratamento necessário no cálculo das áreas de plantio é a
classificação, necessária para a identificação e mapeamento das culturas. O período
das imagens deve ser definido em função das condições fenológicas das culturas,
das condições de iluminação e em especial, das condições meteorológicas. A
cobertura de nuvens tem inviabilizado o uso de imagens de satélites para
mapeamento de lavouras no Centro-Oeste brasileiro. Nos meses de janeiro,
fevereiro e março, período ideal para o mapeamento, dificilmente encontra-se
imagens sem cobertura de nuvens dessa região. Entre as informações do SR, que
podem ser utilizadas para a estimativa do rendimento, destaca-se o índice de
vegetação (IV) (Fig. 3.9a). Este índice baseia-se no comportamento espectral da
vegetação. Em geral toda vegetação, em bom desenvolvimento vegetativo, absorve
55
significativamente a radiação na faixa do visível, como energia para o processo da
fotossíntese. Por outro lado, esta mesma vegetação reflete fortemente a radiação do
infravermelho. A intensidade da absorção do visível e da reflectância do
infravermelho é mais acentuada quanto melhor estiver o desenvolvimento da planta.
Devido a forte absorção, a radiância correspondente à faixa do visível chega
enfraquecida no satélite, enquanto a correspondente ao infravermelho, fortemente
refletida pela vegetação, chega com forte intensidade. Esta diferença de
intensidades é captada pelo sistema sensor e registrada na imagem digital. Em
computador, por meio de operações aritméticas simples, utilizando os níveis de
cinza dos pixels, obtém-se um valor numérico, chamado de índice de vegetação. O
IV, portanto reflete o estado de desenvolvimento da cultura e, consequentemente
reflete a expectativa de rendimento da mesma. O IV é recomendado somente para
lavouras mais extensas, pois em lavouras de menor dimensão, pode ocorrer a
mistura de várias culturas em um único pixel, o que dificulta e até mesmo inviabiliza
seu uso. A estimativa da produtividade agrícola necessita de acompanhamentos
frequentes, portanto, no caso de se utilizar imagens de satélite para esta finalidade,
estas devem ser de alta resolução temporal. Por esta razão é que se tem verificado
inúmeros testes utilizando imagens dos satélites NOAA, cuja frequência de
imageamento é praticamente diária.
56
Tabela 3.9.1 - Bandas Espectrais do Sensor TM e suas aplicações
Fig. 3.9a - Índice de vegetação
57
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