Introdução aos SIG. SIG outros sistemas de informação. Informação geográfica. Informação geográfica. Sistemas de Informação Geográfica

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Introdução aos SIG

1. Os SIG

2. Conceitos relativos a sistemas de informação 3. Modelação geográfica

i. Natureza da entidade ii. Modo de observação iii. Classificação funcional

4. História do desenvolvimento dos SIG 5. SIG/CIG – Domínios de aplicação 6. Modelos de dados

i. Características mais comuns

Sistemas de Informação Geográfica

• SIG = Sistemas de Informação + Informação Geográfica – Ligação bases de dados /

mapas

•Armazenamento

•Modelação

•Consulta

– Capacidades de análise

•Medição

•Relação entre os dados

– Informação espacial Todo e qualquer tipo de informação

georreferenciada, ou seja, associada a uma localização sobre a Terra através de um sistema de referenciação espacial

Sistemas computacionais que permitem a entrada,

armazenamento, análise e exposição de informação espacial

Sistemas de Informação Geográfica

• Um SIG integra:

dados

funções de processamento

pessoas software

hardware

SIG ≠ outros sistemas de informação

• SGBD – não contém informação sobre localizações de forma explícita

– “cidade”, “rua”, “código postal”, etc. mas não coordenadas – não responde a: que ruas estão até 300 m do IST?

• CAD/CAM (computer aided design/drafting) – para criação gráfica e exposição

– não usam necessariamente coordenadas com significado (ex.:

coordenadas x,y,z que não têm ligação a sistemas de coordenadas geográficas)

– capacidade de base de dados limitada (características associadas aos elementos representados)

Informação geográfica

• A referenciação espacial (georreferenciação) pode ser feita através de um sistema de coordenadas

(referenciação direta) ou através de um endereço geográfico (referenciação indireta ou geocódigo)

por geocódigo por coordenadas

Informação geográfica

• A IG pode estar disponível de duas formas:

– Armazenada localmente num computador ou rede local, para uso em SIG desktop – necessário ter este software

– Como um “map service” (“web service” de um servidor que gera mapas) e usado por um cliente – basta ter um browser ou equivalente

• Há uma grande quantidade de IG disponível, pesquisável por metadados (informação sobre a informação): ex: snig.igeo.pt (Sist. Nacional de IG)

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Sistemas de informação

• Universo de Discurso (UoD) - É o fragmento do mundo real sobre o qual incide a tarefa de modelação e sobre o qual se foca a construção do sistema. A identificação do UoD pressupõe a identificação da fronteira do sistema e das entidades do mundo real (EMR).

• Estrutura de Conceitos - Conjunto de abstrações básicas que permitem identificar e caracterizar as EMR.

• Modelo - Interpretação de um dado UoD segundo uma determinada estrutura de conceitos.

• Linguagem de Modelação - É a estruturação e especificação da estrutura de conceitos segundo uma ou mais linguagens. Ex:

UML

• Esquema - é a especificação de um modelo usando uma determinada linguagem, a qual pode ser formal ou informal (ex.

linguagem natural); textual, gráfica, etc. Quando a representação do esquema é gráfica designa-se usualmente por diagrama.

Mundo Real

[modificado de Matos, 2002; Silva,2000]

fenómeno é tudo o que é objeto de experiência possível, isto é, tudo o que aparece no tempo ou no espaço (Kant)

Mundo Real (ou hipotético...)

Casa Casa

Sinal

Rua

UoD

Vista do mundo real ou hipotético que inclui os aspetos de interesse

parte da realidade que nos interessa

Zona Comercial

Mundo Real UoD Domínio do Problema

Zona Habitacional

Limite de Freguesia

A forma como se discorre sobre o UoD depende do domínio do problema, isto é, da forma como um dado cliente ou utilizador descreve aquilo que pretende de um sistema.

Zona Habitacional

Domínio da Solução

Um determinado problema pode ser resolvido de várias formas:

não existe uma forma única de modelar um sistema.

O domínio da solução é apenas um de entre os possíveis.

Zona Habitacional

Domínio da Solução

Uma determinada solução pode ser implementada em plataformas diferentes (e.g. diferentes SIG comerciais).

O domínio da realização é condicionado pelas estruturas de dados e as operações suportadas por cada tipo de plataforma.

Domínio da Realização

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Informação geográfica

Informação Geográfica - Todo e qualquer tipo de informação georreferenciada, ou seja, associada a uma localização sobre a Terra através de um sistema de referenciação espacial. A referenciação espacial, ou georreferenciação, pode ser feita através de um sistema de coordenadas (referenciação direta) ou através de um endereço geográfico (referenciação indireta ou por geocódigo).

Na maioria das análises, a informação com natureza geográfica (ortofotos, altimetria, ocupação e uso do solo, censos, etc.) tem de ser integrada com outro tipo de informação que pode não ser espacialmente desagregada (projeções económicas, demográficas, cenários de crescimento, etc.) ou, ainda, não estar espacialmente materializada (regulamentação sobre domínio hídrico, sobre servidões e condicionantes de utilidade pública).

Informação geográfica

Dados Geográficos - Forma de estruturação e "empacotamento"

da informação geográfica, de acordo com um determinado modelo de dados geográfico.

Conjunto de Dados Geográficos (CDG) - Coleção de dados geográficos, tipicamente realizada em função de uma lógica temática ou de um propósito de transferência de dados. Deve distinguir-se entre o modelo de dados geográfico que presidiu à estruturação dos dados, e o formato de dados: o primeiro é um esquema conceptual, abstrato (ex.: vetor, rede, grafo topológico, matriz, relação); o segundo é uma especificação, tipicamente comercial, para o armazenamento dos dados num determinado software SIG ou para transferência de dados entre programas diferentes (ex.: DXF, VPF, STDS).

Modelação da informação geográfica

A modelação geográfica tem um domínio de aplicação obviamente muito vasto; há componentes dessa modelação que são próprias de cada aplicação específica e há aspetos que são genéricos a qualquer modelação geográfica.

A evolução tecnológica teve consequências no modo de pensar a modelação geográfica, não veio simplesmente permitir que se fizesse o mesmo com mais facilidade.

A utilização competente de informação geográfica requer o entendimento das características geográficas do problema em causa e uma visão abrangente e sólida das formas de abordagem geográfica

Natureza da entidade

• ATÓMICO OU “PLENUM”  Dicotomia referente à partição do universo em entidades atómicas (compatível com fronteiras definidas e estrutura vetorial) ou num “plenum” (compatível com a não utilização de fronteiras e estrutura matricial). A subdivisão de uma casa não é uma casa mas a subdivisão de uma porção de mar continua a ser mar.

• HOMOGÉNEO OU HETEROGÉNEO  Característica associada a entidades extensivas compostas por outras com fronteiras bem definidas. Um bosque é composto por árvores, uma árvore tem fronteira bem definida mas não é um pequeno bosque (uma analogia semelhante pode ser construída para uma casa e uma cidade).

Natureza da entidade

• DESCONTÍNUO OU CONTÍNUO – Característica associada à continuidade na transição de uma entidade para outra. A um edifício pode ser associada uma transição abrupta entre ser ou não edifício enquanto uma descrição de distribuição de pluviosidade terá uma transição contínua.

• CONTÍGUO OU DISPERSO – Característica referente ao facto de uma entidade poder não ter unicidade espacial. Um exemplo é o de povoação comportando-se como uma entidade e podendo no entanto estar dispersa.

Natureza da entidade

• BIDIMENSIONAL OU TRIDIMENSIONAL – Em geral a representação bidimensional é satisfatória porque a altitude é negligenciável relativamente às dimensões horizontais e também porque os objetos em geral estão contidos na representação da sua base. Para fenómenos geológicos ou atmosféricos em que o desenvolvimento tridimensional é significativo as representações bidimensionais com fronteiras definidas poderão ser impossíveis.

• ATUAL OU NÃO-ATUAL – A representação de uma entidade está necessariamente associada a um período no tempo.

Poderão ser representadas entidades que já existiram ou que se prevê virem a existir numa época posterior à representação.

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Natureza da entidade

• PERMANENTE OU VARIÁVEL – Característica associada à variabilidade das fronteiras de uma entidade, podendo inclusivamente essa variabilidade alternar entre a existência e a não existência da entidade. Como exemplo pode citar-se a delimitação de zona de cultivo afetada por uma doença.

• FIXA OU MÓVEL – Esta característica é de algum modo semelhante à anterior, associando-se mais à classificação de entidades naturalmente em movimento (uma manada, um conjunto de veículos, …).

Natureza da entidade

• CONVENCIONAL OU AUTO-DEFINÍVEL – Característica associada a entidades cuja delimitação não está naturalmente associada a objetos físicos cuja fronteira é identificável. Exemplos típicos ocorrem nas classificações sócio-económicas.

• SÓLIDO OU FLUIDO – Característica referente às características físicas do objeto que afetam a sua descrição geográfica; um fluído, seja a atmosfera, um rio ou um oceano não tem fronteira definida enquanto um objeto sólido a terá.

 Imagem LANDSAT 89

 Imagem LANDSAT 99

Variação no tempo

Natureza da entidade

Desenho de margens

Subjetividade ou impossibilidade de definição rigorosa

Natureza da entidade

Modo de observação

• “ESCALA”  A escala de observação, como sinónimo de nível de generalização, é uma das principais responsáveis não só pelo tipo de objetos como pelas suas fronteiras.

•«No que concerne à descrição do pormenor e dos objetos a representar, constata-se que o uso e a habituação ao modo tradicional de operar com cartografia [impressa] preservam na [informação geográfica] digital alguma da antiga sistematização. Utiliza-se atualmente o conceito de escala como referência a um nível de pormenor, sendo este estabelecido por analogia à cartografia impressa similar e não pelo pormenor necessário para que um dado modelo se adeqúe a uma dada finalidade. A continuidade da utilização do conceito de carta topográfica como base de propósito genérico, limitada a um leque restrito de escalas convencionais, é responsável por alguns equívocos quando transposto para fora do seu domínio legítimo, o da cartografia impressa.» [Matos, 1998, pp. 4-5]

Modo de observação

• RESOLUÇÃO  A resolução identifica a menor dimensão a considerar; sublinhe-se que quanto maior a resolução mais complexas e difusas serão as fronteiras.

• PERSPETIVA  A caracterização geométrica do modo de observação; as fronteiras bidimensionais são indissociáveis do modo como o objeto é projetado, sendo as projeções cartográficas geradoras de infinitas possibilidades de fronteira bidimensional.

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Modo de observação

• TEMPO  A representação de uma entidade está associada a uma época, para a qual é definida uma delimitação que poderá sofrer alterações no tempo.

• ERRO  Erro com que se determina a delimitação de uma entidade.

• TEORIA  Os objetos são definidos à luz de uma ontologia, podendo ser resultado de construções teóricas.

Simulação da determinação da posição de um ponto através de uma amostra de 1000 medições.

Ainda que se utilize sempre a mesma metodologia, a determinação duma posição no espaço (ponto vermelho na figura) originará forçosamente valores distintos a cada medição. Esta variação só não é detetada pelos utilizadores se a precisão do instrumento de medida for muito baixa. Caso não haja enviesamento na medida, obteremos uma nuvem de pontos (a cinzento na figura), que, de acordo com a teoria do erro, seguirá uma distribuição normal.

Modo de observ.  Classificação funcional

Duas formas de representação abstrata de vias. À esquerda, rede de eixos médios; à direita, linha correspondente aos lancis dos passeios.

Representação do percurso viário mais curto entre dois pontos em Lisboa (http://geo.sapo.pt).

Os requisitos da IG são definidos em função das operações que o sistema deve suportar. Os objetivos condicionarão a seleção dos objetos geográficos a incorporar no sistema, determinarão o nível de detalhe geométrico, o levantamento dos atributos necessários, e a seleção do modelo geográfico a utilizar.

No exemplo, as linhas a vermelho serão adequadas para representação cartográfica de ruas a escalas grandes, e têm maior detalhe geométrico do que a representação a azul.

Contudo, não permitem a realização de análises de rede.

Se o objetivo envolver caminhos ótimos, análise de acessibilidades rodoviárias, etc., é mais eficiente optar por uma representação de vias geometricamente mais abstrata e fazer um levantamento dos eixos médios.

História do desenvolvimento dos SIG

IAS Computer, 1951-52 Alguns dos primeiros computadores:

Colossus, 1943-45

1967 Dual Independent Map

Encoding (DIME) US Bureau of Census

“address matching”

Experimental Cartography Unit (ECU)

Royal College of Art Londres

1966

Synagraphic Mapping System (SYMAP)

1965 The Harvard Lab for Computer Graphics and Spatial Analysis Urban and Regional Information

Systems Association Canada Geographic Information System (CGIS)

1963 1959

MIMO

(Waldo Tobler)

SGBD hierárquico - IMS

1968

Primórdios do AM/FM PSCo - CINS 1ºScanner Cartográfico

SYMAP

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1974 1ª conferência

AUTOCARTO

1973 Maryland Automatic

Geographic Information (MAGI)

Geographical Information Retrieval and Analysis System (GIRAS) 1972

Lançado o satélite LANDSAT (ERTS-1)

1969

M&S Computing Inc.

(hoje ) Environmental Systems

Research Institue (ESRI)

início do SQL (norma em 1986)

Impressora de agulhas ARPANET

Base de Dados Relacional

Minnesota Land Management Information System (MLMIS) 1976

1979 ODISSEY GIS

Harvard Lab

1981

1983 Digital Map

Company

1985 Global Positioning System

(GPS) operacional (in. 1978)

Geographic Resources Analysis Support System (GRASS)

1975 Impressora laser

Internet Autodesk VISICalc

“640 kB serão suficientes para qualquer um”

Bill Gates

Tandy - Radio Shack TRS-80, 1977 4 kBytes

IBM PC 5150, 1981-1987 Memória: 16 a 640 kBytes

1987

1.º número do International Journal of Geographic Information Systems Clark University

1986

Lançado o 1.º satélite SPOT

1988

National Centre for Geographic Information and Analysis

Topolocically Integrated Encoding and Referencing (TIGER) do USCB

SCE adquirem sistema de cartografia digital

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Fundada a Association of Geographic Information

Modular GIS Environment (MGE) -Intergraph 1989

1991

1996 Arc/Info para Windows NT

1990

1995

Mestrado em SIG 1º ESIG

1994 PROSIG

Laser Scanning ( ? )

LANDSAT TM 7

GEODatabase

1997

1999

2000

MAPQUEST adquirida pela AOL MAPQUEST

fornece 130 milhões de mapas

Ikonos

1998

>20 empresas de serviços SIG em Portugal TC211

ESPECIALIZAÇÃO NA OE CT134

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2003

2006

2007 INSPIRE 2005 2004

2002

2001

Fusão do CNIG no IGP

SRTM

CAOP

ESA GlobCover Earth View (Keyhole,

Inc.)

2008

2009

OpenSource GIS

Layers / camadas / coberturas / temas

• Constituem a forma de organização lógica da informação geográfica no contexto SIG

• Cada layer representa entidades de

características homogéneas

• Exemplos: estradas, uso do solo, altitude, rios, construções, divisão administrativa

Modelo vetorial (relacional)

• Entidades individualizáveis, com fronteira bem definida

• Atributos em tabela própria

• Cada entidade está ligada a uma linha da tabela de atributos

ID

ID INFORMAÇÃO ESPACIAL

TABELA DE ATRIBUTOS

OUTRAS TABELAS

Modelo vetorial (relacional)

• Pontos, linhas e polígonos

• Ligação objeto/registo

Modelo matricial

• Espaço dividido em células, que “guardam” números inteiros ou reais

• O valor de cada célula é a medida de algo ou tem algum significado

• Adequa-se a fenómenos de fronteiras difusas

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Modelo matricial

• Os dados podem ser classificados como

“contínuos” (reais, sem tabela de atributos) ou

“discretos” (inteiros, com tabela de atributos)

• As imagens também podem ser consideradas matrizes

Modelo temporal

MANCHAS DE MONTADO (SOBREIRO E AZINHEIRA)

DENSIDADE – 1943 -1985

EXTENSÃO – 1943 -1985

Modelo 3D Redefinição de SIG

• Um sistema de informação aplicado à modelação geográfica de fenómenos e à sua análise

Questões

• Qual o impacto da massificação de SIG, por exemplo com o Google Earth, no desenvolvimento histórico de SIG ?

• Por que razão começa a haver uma utilização efetiva na segunda metade da década de 1990 ?

• O que antevê como evolução futura para os sistemas de informação geográfica ?

• Porque razão o termo SIG é parcialmente substituído por Ciência de Informação Geográfica e por Tecnologias de Informação Geográfica ?

http://www.gisdevelopment.net/history/links/index.htm http://snig.igeo.pt/

Medidas/grandezas comuns em SIG

• Todos os dados da superfície da Terra estão sujeitos a uma projeção: conversão 3D para 2D, necessariamente com distorção

• Escala: é sinónimo de grau de pormenor na representação – exemplo: dizer que a informação geográfica está “à escala 1:x” quer

dizer que tem certo grau de pormenor esperando-se a representação de certas entidades que a outras escalas seria diferente

• Exatidão: grau de correspondência com o mundo real – posicional: distância

– consistência: informação correta

– completude: inclusão de tudo o que é relevante

• Resolução: a dimensão da menor entidade representável – a resolução (espacial) depende da escala

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• Dois tipos:

Espacial

Não espacial

concelhos com mais de 50000 habitantes

cidades até x km de distância de y

Consulta/seleção Análise

• Padrões (ex.: densidades, etc.)

• Relação (ex.: proximidade ao mar = maior preço das casas, influência da poluição no crescimento das plantas, etc.)

• Evolução

• Predição (ex.: quantas pessoas podem ser afetadas por uma cheia?)

• Modelação de cenários (ex.: se se localizasse aqui x o que aconteceria?)

• Análise do relevo (declive, exposição solar, etc.)

Análise Aplicações

ISIG – MEC – IST 2011-12 Paisagismo Recursos naturais

Ordenamento Ambiente

Implantação de infraestruturas Censos

Cartografia

Cadastro Predial

CIÊNCIA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA Transportes Navegação

Investigação Operacional Sistemas de Informação

Modelação Estatística

espacial

Deteção Remota Posicionamento

Hidrologia Urbanismo

Alguns SIG

• Freeware, GNU e open source (vários tipos de licenças)

– ArcExplorer (só para “ver” informação) – AccuGlobe

– QuantumGIS (gratuito) – gvSIG (gratuito)

– Google Earth versão base (limitada)

• Globo virtual, bom para ver dados 3D

• Comercial – ArcGIS – MapInfo

Questões da aula 1

• Que problemas existem se quisermos encontrar as freguesias de Portugal com área de ”bosque” superior a 30 hectares?

• Se se usar cartografia à escala 1:10000, significa isso que todos os comprimentos medidos são na realidade 10000 vezes inferiores nessa cartografia do que no mundo real?

• Que modelo de dados seria adequado para a gestão de espaços de um edifício como o pavilhão de Civil?

• Como está estruturada a informação num SIG?

• O Google Earth tem todas as funcionalidades de um SIG?