3.2 A TECNOLOGIA DE GEOPROCESSAMENTO

A tecnologia de geoprocessamento inserida em SIG tem parte de sua revisão bibliográfica, citada a seguir, oriunda do manual do usuário do sistema de processamento de informações georeferenciadas (Spring), cuja referência bibliográfica pode ser encontrada em INPE (2004) e em Câmara, Freitas e Garrido (1996).

A distribuição geográfica de transformações ocorridas no uso do solo estabelece padrões de ocupação. Ao representar tais transformações, o geoprocessamento procura determinar e esquematizar os mecanismos implícitos e explícitos de inter-relação entre elas. Estes padrões de inter-relação podem assumir diferentes formas:

a) Correlação espacial: um fenômeno espacial (por ex.: a topografia) está relacionado com o entorno de forma tão mais intensa, quanto maior for a proximidade de localização. Diz-se informalmente que “coisas próximas são parecidas”;

b) correlação temática (de variáveis): as características de uma região geográfica são moldadas por um conjunto de fatores. Assim, o clima, as formações geológicas, o relevo, o solo e a vegetação formam uma totalidade inter-relacionada. Deste modo, podem-se traçar pontos de correspondência entre o relevo e o solo ou o solo e a vegetação de uma região;

c) 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; d) correlação topológica: de particular importância na representação computacional, as

relações topológicas como adjacência, pertinência e intersecção, permitem estabelecer os relacionamentos entre os objetos geográficos que são invariantes à rotação, à translação e à escala.

A Figura 3.1 indica o relacionamento dos principais componentes ou subsistemas de um SIG. Cada sistema, em função de seus objetivos e necessidades, programa esses componentes de forma distinta, mas todos os subsistemas citados devem estar presentes num SIG.

Figura 3.1 – Estrutura Geral de um Sistema de Informações Geográficas (SIG) Fonte: INPE (2004)

Por sua vez, a Figura 3.2 apresenta os principais tipos de informações que interagem em um SIG.

Figura 3.2 – Tipos de informações que interagem em um SIG Fonte: Adaptado de INPE (2004)

O desenvolvimento de sistemas informatizados de reconhecimento de padrões, a partir da década de 1970, com algoritmos eficazes para processamento digital de imagens, permitiu que o uso das imagens de sensores remotos fosse extremamente potencializado. Algoritmos vêm sendo desenvolvidos e permitem a extração de informações ocultas nas respostas radiométricas dos níveis de cinza das imagens. Esses sistemas de processamento de imagens ao serem integrados em SIG, a partir da década de 1980, executaram uma fusão eficaz de dados vetoriais oriundos da cartografia digital e de sistemas de CAD (Computer Aided Design), com os dados oriundos das imagens de sensores remotos. A partir daí os SIG se tornaram ferramentas eficazes no processo de tomada de decisão, permitindo que esse processo fosse cada vez melhor subsidiado com dados geográficos consistentes.

As transformações espaciais no uso do solo podem ser representadas por mapas cartográficos, com dados do tipo: temáticos (por ex.: tipos de solo, áreas desmatadas), cadastrais (por ex: cadastro urbano e rural), redes (por ex.: rede de esgoto e logradouros), modelos numéricos (por ex.: dados geofísicos e topográficos) e imagens (por ex.: foto aérea e de satélite).

Matula (1979), bem antes da disseminação da tecnologia de SIG, atestava sobre a necessidade de se fazer uma avaliação criteriosa na escolha dos documentos cartográficos a serem utilizados em fases de inventário de áreas de estudo, principalmente pelo fato desses documentos serem confeccionados com diferentes sistemas projeções, escalas, precisões cartográficas etc. Em áreas geográficas extensas, como a área de estudo em questão, o município de Coari/AM, esse problema se potencializa até em termos de custos de obtenção das informações, devendo se dar preferência aos mapas de maior escala possível e que podem ser atualizados em pequenos trechos de interesse por meio de trabalhos de campo específicos e de custo razoável.

Moffatt e Hanley (2001) apontam que as modelagens, ora em curso, relacionadas com a implantação de conceitos de desenvolvimento sustentável, mesmo que possuam limitações quanto à confecção de cenários prospectivos devido à inexistência de uma base de dados consistente, não podem abrir mão das tecnologias de geoprocessamento em seu desenvolvimento. Inventariar dados sobre uma determinada região a ser estudada e desenvolver algoritmos e métodos de inteligência inseridos em sistemas computacionais é uma das tarefas mais desafiadoras, tanto na eficiência desses sistemas quanto na competência técnico-científica de seus desenvolvedores. O uso de SIG contribui para solucionar esses desafios, graças à sua capacidade de integrar e analisar informações espaços-temporais.

Os mapas, por sua vez, são modelos simplificados da realidade, que permitem compreender a história e a dinâmica das transformações passadas e futuras de um território. Normalmente utilizam uma representação em escala de uma seleção de entidades abstratas relacionadas com a superfície da Terra e podem assumir como modelos de dados que se interpõe entre a realidade e a base de dados de um SIG.

De acordo com a figura 3.2, na cartografia digital são os seguintes tipos de mapas utilizados em um SIG:

a) Mapas temáticos: representam dados temáticos que descrevem a distribuição espacial de uma grandeza geográfica, expressa de forma qualitativa. Seus dados podem ser obtidos, entre outros métodos, a partir de classificação ou digitalização de feições em imagens. Para permitir uma representação e análise mais acurada do espaço geográfico, a maior parte dos SIG armazena estes tipos de mapas na forma vetorial (pontos, linhas ou polígonos). Um mapa temático pode também ser armazenado no formato matricial (raster), em que a área correspondente ao mapa é dividida em células de tamanho fixo e cada célula terá um valor qualitativo correspondente ao tema naquela localização espacial. A Figura 3.3 ilustra as formas de armazenamento dos mapas temáticos em um SIG.

Figura 3.3 - Representação vetorial e matricial em um mapa temático Fonte: INPE (2004)

b) Mapas numéricos: representam modelos numéricos de terreno (MNT), utilizado para denotar a representação quantitativa de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Comumente associados à altimetria, também podem ser utilizados para modelar unidades geológicas, ou propriedades do solo ou subsolo. Um MNT pode ser

definido como um modelo matemático que reproduz uma superfície real a partir de algoritmos e de um conjunto de pontos (x, y), em um referencial qualquer, com atributos denotados por z, que descrevem a variação contínua da superfície. Um exemplo de MNT é apresentado na Figura 3.4.

Figura 3.4 - Representação de um MNT em um mapa numérico. Fonte: INPE (2004)

c) Imagens: representam cenas obtidas por satélites, fotografias aéreas ou scanners aerotransportados, como formas de captura indireta de informação espacial. Armazenadas como matrizes em que cada elemento de imagem (denominado pixel) tem um valor proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida pela área da superfície terrestre correspondente. A Figura 3.5 apresenta duas imagens obtidas a partir de uma câmara aérea; a primeira utiliza três bandas espectrais do visível: vermelho (red, R), verde (green, G) e azul (blue, B), com uma composição colorida pancromática próxima da visão humana; a segunda apresenta uma composição colorida conhecida como falsa-cor, com a banda espectral do verde associada à cor azul, a do vermelho associada à cor verde e a banda do infravermelho próximo associada à cor vermelha. Observa-se nesta composição que tudo que aparece em vermelho na imagem é vegetação, o que não era possível distinguir na composição pancromática. Pela natureza do processo de aquisição de imagens, os objetos geográficos estão representados em cada elemento da imagem, sendo necessário recorrer a técnicas de realce, foto-interpretação e de classificação para individualizá- los. Características importantes de imagens de satélite são: o número de bandas imageadas no espectro eletromagnético (resolução espectral), a área da superfície terrestre observada instantaneamente por cada sensor (resolução espacial) e o intervalo entre duas passagens do satélite pelo mesmo ponto (resolução temporal).

Figura 3.5 – Composições coloridas multiespectrais de uma mesma região Fonte: Asprs (2002)

A Figura 3.6 apresenta duas imagens de dois sensores remotos diferentes, com resoluções diferentes; a primeira corresponde a um tamanho de pixel de 10 metros (imagem do sensor comercial HRV-SPOT) e a segunda, do mesmo local, corresponde a um tamanho do pixel de 3 metros (imagem do ex-satélite militar Corona).

Figura 3.6 – Diferentes resoluções espaciais de imagens da mesma região geográfica Fonte: FAS (2004)

O SIG utiliza a definição de plano de informação (PI) como suporte para a representação geográfica de diferentes tipos de dados geográficos. Uma instância da classe plano de informação representa, para uma dada região geográfica, o lugar geométrico de um conjunto de dados geográficos.

Outro conceito presente em um SIG é o do banco de dados geográfico, composto por conjuntos de planos de informação (PI). Um PI pode conter informação da declividade do terreno, das áreas desmatadas, da drenagem, das obras antrópicas, sobre as imagens, entre outras. Todos os PI possuem um nome que o identifica, uma resolução espacial que reflete um

padrão de observação espacial e uma orientação que o relaciona ao sistema de referência e ao norte geográfico.

A Figura 3.7 resume o universo conceitual do modelo.

Figura 3.7 – Universo conceitual de um SIG Fonte: INPE (2004)

São as seguintes as funções de manipulação e análise de dados geográficos, que podem ser agrupadas de acordo com o tipo de dado tratado, presentes em um SIG: análise geográfica, processamento de imagens, modelagem de terreno, redes, geodésia e fotogrametria e produção cartográfica. A seguir uma breve descrição de algumas dessas funções:

a) Análise geográfica: permite a combinação de informações temáticas. Pode ser realizada no domínio vetorial ou domínio matricial (raster). Um conjunto importante de procedimentos de análise geográfica é a “álgebra espacial de mapas”, que envolvem implementações do tipo operador de análise em diferentes sistemas. Estas funções incluem: reclassificação, intersecção (overlay), operações booleanas e matemáticas entre mapas e consulta ao banco de dados;

b) Processamento digital de imagens: Tratamento de imagens de satélite e de scanners. Com o advento de satélites de alta resolução e de técnicas de fotogrametria digital, as imagens de satélite e aerotransportada estão sendo cada vez mais úteis para estudos ambientais e cadastrais. Entre as funções necessárias estão: realce por modificação de histograma, filtragem espacial, classificações estatísticas, rotação espectral (componentes principais), transformação IHS-RGB, registro de imagens, entre outras; c) Modelagem numérica do terreno: Permite cálculo de declividade, volume, cortes

transversais, fundamentais para aplicações de engenharia e análise do uso do solo, entre outras. O conjunto básico de funções consta de: determinação do modelo (grade

regular ou triangular) a partir de pontos espaços ou linhas; geração de mapas de contorno (isolinhas); geração de mapas de declividade e de aspecto; visualização em três dimensões (3D) com imagens e temas; cálculo de volumes; e análise de perfis. Os documentos cartográficos inseridos no SIG possuem diversas projeções cartográficas, sendo uma das mais utilizadas a do mapeamento sistemático do Brasil, que compreende a elaboração de cartas topográficas, na projeção UTM (Universal Transverse of Mercator), nas escalas de 1:250.000, 1:100.000, 1:50.000. As principais características da projeção UTM podem ser encontradas em INPE (2004).

A integração de imagens de satélite a uma base de dados de um SIG prescinde que seja executada uma correção geométrica conhecida como registro de imagens, cujo algoritmo é descrito em Schowengerdt (1983). É uma operação tipicamente executada por meio de funções polinomiais, determinadas a partir das coordenadas de pontos de controle identificados nas imagens e no sistema de referência da base de dados.

A integração de imagens oriundas de Sensoriamento Remoto representa uma fonte singular de informação. No ambiente computacional de um SIG, a união da tecnologia e dos conceitos de Sensoriamento Remoto e geoprocessamento possibilitam a criação de sistemas de informação com maior potencial de análise espacial. É possível a execução de estudos multitemporais a partir de imagens registradas entre si para que se possa interpretar a resposta de ambas para certa posição no espaço.

3.2.1 - A análise espacial em um SIG

O que distingue um SIG de outros tipos de sistemas de informação são as funções que realizam análises espaciais. Tais funções utilizam os atributos espaciais e não espaciais das entidades gráficas armazenadas na base de dados espaciais e buscam fazer simulações (modelos) sobre os fenômenos do mundo real, seus aspectos ou parâmetros.

Além das operações booleanas e matemáticas, os SIG executam as operações definidas sobre regiões específicas de um geo-campo de entrada, onde as restrições são fornecidas por outro geo-campo temático. Um exemplo seria: “dado um mapa de solos e um mapa de declividade da mesma região, obtenha a declividade média para cada tipo de solo”. No manual do usuário do Spring (INPE, 2004) estão descritas as várias operações de análise espacial.

Outro aplicativo refere-se à análise espacial estatística, cujo algoritmo de interesse da pesquisa em pauta é o “Estimador de Densidade Kernel”. O objetivo é gerar uma grade em que cada célula representa o valor da intensidade e sua densidade, em que variação de

densidade permite estabelecer as trajetórias de deslocamento e transformações antrópicas ocorridas em uma determinada região (Almeida e Souza, 2004).

Assim, em um ambiente computacional de um SIG são utilizadas diversas alternativas para executar a análise espacial. No SIG desenvolvido pela Divisão de Processamento de Imagens do INPE, denominado Spring (sistema de processamento de imagens geográficas), adotou-se a linguagem Legal (linguagem espacial para geoprocessamento algébrico), descrita em INPE (2004), para esse fim. A pesquisa em pauta utilizará esta linguagem na verificação das transformações de certas peculiaridades ocorridas no uso do solo da área de estudo, descrita no capítulo seguinte, no que tange à metodologia empregada.

A seguir uma breve abordagem sobre uma das principais fontes de dados manipuladas em um SIG: as imagens oriundas de sensores remotos.

3.3 - CONSIDERAÇÕES GENÉRICAS SOBRE O SENSORIAMENTO REMOTO