SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA II

DADOS GEOGRÁFICOS E FUNÇÕES DO SIG

Dados geográficos são aqueles que descrevem fatos, objetos e fenômenos do globo terrestre associados à sua localização sobre a superfície terrestre, num certo instante ou período de tempo.

Introdução aos dados geográficos

Para que seja possível produzir informações geográficas, a partir de Sistemas de Informação Geográfica, é necessário “alimentar” os computadores e os programas computacionais de SIG com dados sobre o mundo real. Desta forma, é necessário produzir uma representação ou um modelo computacional do mundo real, que é extremamente complexo em seu detalhamento e em sua dinâmica temporal.

Construir uma representação do mundo real implica em três grandes considerações:

¾  Redução da complexidade geométrica do mundo real, através da aplicação de escala,

amostragem e seleção de elementos;

¾  Redução da complexidade temporal do mundo real, através de um corte temporal ou

da observação de fenômenos em intervalos discretos de tempos;

¾  Identificação e categorização dos elementos existentes na superfície terrestre, através

de cortes temáticos.

De início, é possível dividir a superfície terrestre em três grandes categorias, conforme suas características geométricas relacionadas ao mapeamento.

A primeira categoria é constituída por elementos de natureza contínua, que se caracterizam pela dificuldade na localização das bordas (ou limites) entre classes. Dentre esses elementos estão os solos, o relevo, a vegetação, a geologia, a geomorfologia, a temperatura, a paisagem, a pluviometria, etc. As bordas que distinguem as classes de um tema de característica contínua são obtidas através de uma coleta de amostras e, em seguida, são realizadas interpolações e/ou classificações dessas amostras a fim de se restaurar a continuidade e/ou a classificação do tema. Alguns autores consideram os temas de característica contínua como campos, ou seja, superfície contínua sobre a qual as entidades geográficas variam continuamente segundo distribuições.

Em SIG e também em cartografia, os elementos de característica contínua podem ser representados por elementos de estrutura vetorial, tais como, conjuntos de pontos regularmente ou irregularmente espaçados, isolinhas (curvas de mesmo valor), redes de polígonos regulares ou irregulares, e também por elementos de estrutura matricial, conjuntos de pixels ou células (tesselação, imagens digitais).

Existem também temas na superfície terrestre que apresentam característica discreta, ou seja, apresentam facilidade na localização ou mapeamento direto de bordas entre classes, geralmente entre esses temas estão aqueles construídos pelo ser humano, tais como elementos do sistema viário (ruas, rodovia, avenidas, aeroportos, portos, pontes, etc.), edificações em geral, áreas agrícolas, equipamentos de infraestruturas (postes, linhas de transmissão e de comunicação, etc.).

As bordas desses elementos são obtidas por identificação visual direta e mensuradas com as técnicas de topografia, fotogrametria, sensoriamento remoto, geodésia, etc. Alguns autores também denominam os elementos de característica discreta de objetos, que são definidos por uma superfície ocupada por entidades identificáveis e cada posição (x, y) do espaço poderá ou não estar ocupada. 

Os elementos de característica discreta podem ser representados em SIG ou em cartografia preferencialmente por estruturas vetoriais (pontos, linhas e polígonos), no entanto, também é possível representar tais elementos utilizando-se estruturas matriciais (pixels, células).

Existem ainda sobre a superfície terrestre, elementos pouco mencionados na literatura, contudo muito importantes, são os elementos abstratos, que geralmente apresentam característica discreta, mas nem sempre são fisicamente identificáveis por meio de observação terrestre, aéreo e orbital. Os elementos abstratos possuem bordas entre suas classes, porém essas bordas nem sempre estão materializadas sobre a superfície terrestre, mas sim em convenções jurídicas e administrativas. Como exemplo de elementos de característica abstrata, pode-se citar zoneamentos eleitorais, limites políticos, áreas de preservação ambiental, zonas militares, etc. As bordas dos elementos abstratos são registradas em instrumentos jurídicos (decretos, leis, instruções normativas, memoriais descritivos, etc.).

Os elementos de característica abstrata são representados em SIG e cartografia, preferencialmente através de estruturas vetoriais (pontos, linhas e polígonos), porém também podem ser representadas por estruturas matriciais (pixels, células).

Esta primeira categorização dos elementos que integram o mundo real é de extrema importância, pois a partir desta primeira categorização (elementos de característica contínua, elementos de característica discreta e elementos de característica abstrata) surgem outras categorizações de dados produzindo desta forma um modelo de dados digital representativo do mundo real. 

Nos programas computacionais de Sistemas de Informações Geográficas e também em vários outros programas computacionais que tratam de elementos gráficos digitais, o mundo real é representado por conjuntos de camadas temáticas.

A organização computacional dessas camadas depende da arquitetura dos programas computacionais, alguns programas trabalham com um único arquivo e cada camada é um subconjunto de dados dentro deste arquivo, outros programas consideram cada camada como um arquivo separado. Abordagens tecnológicas mais recentes tratam o conjunto de camadas como um banco de dados geográficos, onde cada tabela que integra este banco de dados é uma camada temática.

Dados espaciais x dados geográficos

Inicialmente, se faz necessário discriminar conceitualmente o que são dados espaciais e dados geográficos.

Os dados espaciais são definidos como sendo qualquer tipo de dado que descrevem fenômenos aos quais esteja associada alguma dimensão espacial, por outro lado, os dados geográficos são definidos como dado espacial cuja dimensão espacial está associada à sua localização na superfície da Terra num determinado instante ou período de tempo.

Desta forma, quando se tem um elemento com um sistema de coordenadas local, que não esteja diretamente relacionada com coordenadas geográficas, quando mapeados sobre este sistema de coordenadas local, todos os dados deste objeto serão dados espaciais, por outro lado, se essas coordenadas locais forem transformadas em coordenadas geográficas ou ainda para coordenadas de algum sistema de projeção cartográfica, os dados do elemento serão considerados dados geográficos. 

Características dos dados geográficos

Os dados geográficos possuem quatro características fundamentais:

¾  Característica espacial – posição geográfica e geometria do elemento representado;

¾  Característica não espacial – descrição alfanumérica, pictórica e sonora do elemento

representado, ou seja, além de textos descritivos, a tecnologia atual permite a associação de imagens, filmes, sons e hiperlinks aos elementos representados;

¾  Característica temporal – trata-se do tempo de validade do dado geográfico, além de

suas variações sobre o tempo;

¾  Documentação (metadados) – pode-se conter um grande conjunto de informações

úteis para a correta utilização do dado geográfico, precisão e acurácia do dado, restrições e regras para distribuição e acesso, descrição de cada atributo não espacial, etc.

Estruturas e formatos dos dados geográficos

·      Estrutura matricial

A estrutura matricial consiste em uma matriz bidimensional, que pode ser matematicamente definida como sendo uma função f(x, y), composta por linhas e colunas, onde cada elemento desta estrutura é contém um número inteiro ou real, podendo ser negativo ou positivo.

Cada elemento da estrutura matricial recebe o nome de célula ou pixel (picture element) e pode representar qualquer elemento do mundo real, por  exemplo temperatura (pode conter valores positivos para regiões quentes ou negativos para regiões extremamente frias), altitudes (valores positivos para locais acima do nível médio dos mares, ou negativos para locais abaixo do nível médio dos mares), refletâncias (valores positivos e reais entre 0 e 1).

Os valores de dados armazenados em estrutura matricial podem representar também categorias temáticas do mundo real, por exemplo, no caso do tema vegetação, todas as células com valor 10 podem pertencer à categoria floresta, as células com valor 11 podem pertencer à categoria cerrado e assim por diante. 

O princípio do armazenamento de dados geográficos em estrutura matricial é bastante simples, basta que o arquivo tenha um cabeçalho, contendo informações sobre as coordenadas do canto superior direito da imagem (x, y), o tamanho da célula em x e em y e finalmente o número de linhas e colunas da matriz. Em seguida, são armazenados sequencialmente todos os valores das células da matriz, desta forma, qualquer célula da matriz possui uma referência geográfica.

Os arquivos em estrutura matricial podem conter ainda várias camadas, mais especificamente bandas, no caso de imagens obtidas por sensores remotos, ou por câmaras fotográficas digitais, ou ainda por meio de dispositivos de digitalização matricial, denominados scanners.

Neste caso, os arquivos matriciais podem ser estruturados de três formas distintas, sendo elas:

¾  Banda Sequencial (BSQ);

¾  Banda Intervalada por Linha (BIL);

¾  Banda Intervalada por Pixel (BIP).

Nestes três casos, o cabeçalho da imagem também contém o número de bandas da imagem, além é claro, do esquema de armazenamento (BSQ, BIL ou BIP), em seguida estão armazenados os valores das células de cada banda.

Os arquivos matriciais são armazenados nos mais diversos formatos, porém os mais utilizados são: Tiff, GeoTiff, Jpeg, BMP, IMG, GRIB, GRID, MrSid, entre outros.

Todos esses formatos são armazenados em estrutura binária, no entanto, é possível utilizar um editor de textos simples e produzir um arquivo em formato ASCII GRID, compatível com ArcGIS. Os dados matriciais são utilizados em praticamente todos os programas computacionais gráficos e não somente nos programas para SIG.

·      Estrutura vetorial

Na estrutura vetorial, a localização e aparência gráfica de cada elemento do mundo real são representadas por um ou mais pares de coordenadas. Adicionalmente, esses elementos também são caracterizados por atributos descritivos (não espaciais). Este tipo de representação não é exclusivo dos programas computacionais de SIG: programas de CAD e outros tipos de programas de computação gráfica também utilizam representações vetoriais.

Porém, o uso da estrutura vetorial por programas computacionais de SIG é bem mais sofisticado do que o uso em CAD, devido ao tratamento de topologia, associação de atributos alfanuméricos e indexação espacial. Por outro lado, devido à necessidade de representação geográfica e topológica, os vetores construídos em SIG são mais simples que aqueles construídos em CAD.

Nos programas SIG, em geral, se constrói apenas pontos e conjuntos de segmentos de reta, em CAD por outro lado, se constrói estruturas geométricas mais complexas tais como circunferências, arcos de círculo, além de figuras tridimensionais tais como cones, cubos, cilindros e esferas. 

Com o intuito de se entender melhor como os programas computacionais de SIG tratam os dados armazenados em estrutura vetorial, serão apresentados os esquemas de armazenamento dos dados vetoriais pontuais, lineares e poligonais, bem como a noção de topologia.

Formas de aquisição de dados geográficos

Atualmente, as ciências e tecnologias disponíveis têm criado muitas possibilidades para a aquisição de dados geográficos. Porém, esta se constitui ainda em uma atividade complexa e custosa, de tal forma, que no mercado de trabalho nacional e internacional, existem grandes quantidades de empresas focadas apenas  nesta atividade e que  movimentam grande quantidade de recursos financeiros anualmente, além de contribuir grande geração de empregos diretos e indiretos. 

A aquisição de dados geográficos, parte da observação do mundo real, que deve ter o detalhamento, precisão e acurácia compatíveis com os objetivos das informações geográficas a serem produzidas pelo SIG. Para se realizar as observações do mundo real a fim de se obter dados geográficos em quantidade e qualidade compatíveis com os objetivos a serem alcançados pelo Sistema de Informações Geográficas, se faz necessário utilizar as ciências, tecnologias, técnicas e instrumentos adequados para tal. 

Dentre as ciências utilizadas para aquisição de dados geográficos, tem-se a Geodésia, o Sensoriamento Remoto e a Fotogrametria, que utilizam técnicas de observação do mundo real, tais como Topografia, Processamento de Imagens Digitais, Restituição Fotogramétrica, utilizando os instrumentos tecnológicos tais como estações totais, receptores GNSS, restituidores digitais, sistemas sensores passivos (óticos) e ativos (radar, laser e sondas).

Atualmente, praticamente a totalidade dos instrumentos de observação do mundo real, produz dados digitais, que podem ser transferidos para computadores, a fim de se realizar o processamento dos dados observados, com o intuito de se realizar filtragem, correções, transformações, classificações, interpolações, inferências e estimativas das observações, além de se obter as precisões e acurácias das mesmas.

As atividades de processamento de dados oriundos das observações do mundo real são realizadas com o auxílio de programas computacionais de cálculo e desenho topográfico, cálculo geodésico, restituição fotogramétrica, processamento de imagens digitais, processamento de dados de observação a laser, modelagem digital de terrenos, processamento de sinais obtidos por receptores GNSS, etc.

São inúmeros os programas computacionais disponíveis e destinados a essas atividades e atualmente é possível encontrar desde programas computacionais gratuitos até programas computacionais comerciais com custos elevados. A decisão de qual utilizar depende de vários fatores, tais como qualidade dos programas, qualidade do suporte técnico, metas a serem alcançadas nos projetos, custos do projeto, afinidade dos usuários com os programas, etc.

No caso do resultado do processamento dos dados geográficos serem armazenados em meio analógico, é necessário realizar a digitalização do dado geográfico, que pode ser realizado de maneira vetorial ou matricial. A digitalização vetorial é realizada utilizando-se mesa digitalizadora, periférico conectado a computadores, utilizados na digitalização direta de pontos, linhas e polígonos.

Atualmente, com o aumento na capacidade de armazenamento, processamento e exibição de dados matriciais, tornou-se mais viável a utilização de dados armazenados em estrutura matricial. Esses dados são produzidos a partir da digitalização de documentos armazenados em meio analógico, por dispositivos denominados scanners.

Banco de dados geográficos

A evolução científica e tecnológica dos últimos anos, impulsionada principalmente pelas necessidades de padronização de dados e a interoperabilidade entre os programas de SIG, fez surgir o conceito de bancos de dados geográficos.

Em um banco de dados geográficos, as geometrias e as descrições dos elementos que representam as características do mundo real são armazenadas, gerenciadas e processadas em um único ambiente computacional, o Sistema Gerenciador de Bancos de Dados Relacional.

A fim de se conhecer melhor os bancos de dados geográficos, a seguir será apresentado o Geodatabase, um dos formatos de dados espaciais da ESRI, que é armazenado em banco de dados relacional.

·      Geodatabase

As estratégias de armazenamento de dados têm sido alteradas ao longo do tempo, devido ao significante aumento na produção e detalhamento de dados, além das inovações tecnológicas.

O Geodatabase funciona como um depósito de dados espaciais e descritivos, onde os dados geográficos são armazenados em Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados

Relacionais (SGBDR). O Geodatabase é uma solução escalável, pois existe o Personal

Geodatabase, Enterprise Geodatabase  e na versão 9.2, existe também o File Geodatabase.

Além disso, suporta integridade e regra nos dados. O ArcGIS possui ferramentas de conversão de dados, viabilizando desta forma, a utilização de dados existentes

O Geodatabase possui as seguintes vantagens:

¾  Edição multiusuário;

¾  Feições customizadas;

¾  Inclusão de regras topológicas (validação);

¾  Melhoria de topologia;

¾  Subtipos (suporte de regras);

¾  Validação de atributos (domínio, valores nulos);

¾  Armazenamento escalável.

O Personal Geodatabase utiliza o Microsoft Jet Engine e produz arquivos em formato

Microsoft Access. Por outro lado, o Enterprise Geodatabase necessita do ArcSDE (ArcInfo Spatial Data Engine) para realizar o armazenamento de dados geográficos em SGBDR. As diferenças entre as três concepções são as seguintes:

¾  O Personal Geodatabase possui um limite de tamanho de armazenamento de 2

Gigabytes;

¾  O Enterprise Geodatabase permite versionamento e edição por múltiplos usuários ao

mesmo tempo;

¾    O File Geodatabase armazena conjuntos de dados em um diretório de arquivos no

disco do computador. Cada conjunto de dados é armazenado como um arquivo que pode ter aproximadamente 1 TB de tamanho, sendo possível configurar um file geodatabase para armazenar conjuntos de dados muito grandes. File geodatabases podem ser utilizados em múltiplas plataformas, podem ser compactados e encriptografados para somente leitura, no caso de uso seguro.

  

Apesar das diferenças, o Personal Geodatabase, o Enterprise Geodatabase e o File

Geodatabase são manipulados com as mesmas ferramentas do ArcGIS. Um Geodatabase pode conter vários tipos de elementos

As tabelas são coleções de linhas e colunas contendo dados não espaciais (atributos, endereços, localização x/y, eventos de rotas, entre outros tipos de dados). As tabelas podem ter colunas com comportamento, linhas de subtipo, valores padrão e domínio de atributos. Além disso, as tabelas podem se relacionarem.

As classes de feições (feature classes) são tabelas que armazenam as formas dos elementos existentes no mundo real (feições), funcionam como camadas temáticas de dados geográficos. Cada linha da tabela representa uma feição com seus atributos. As feições podem ser de geometria pontual, linear ou poligonal, contendo coordenadas x e y, porém podem também conter coordenadas z e m. As feature classes são associadas a um sistema de referência, contendo projeção cartográfica, sistema de coordenadas e extensão espacial.

Antes de se começar a produzir um geodatabase, vários aspectos devem ser observados, o primeiro deles é a respeito da própria finalidade do geodatabase, pois em muitos casos, a tendência do responsável por um SIG é digitalizar todos os dados disponíveis para a área de interesse.

Mas a tentativa de colocar todos os dados em um SIG não significa que o trabalho será bem sucedido. Muitas vezes, na tentativa de criar uma base de dados com todos os temas possíveis, pode ocorrer atraso significativo na produção da base de dados devido a não existência do dado, ou ainda devido o mesmo não estar completo ou não possuir detalhamento compatível com os outros dados existentes. 

Muitas vezes são investidos recursos financeiros e tempo na busca por um dado, porém o mesmo não é utilizado na geração de informações, por isso antes de tudo é necessário realizar um levantamento das informações geográficas que devem ser produzidas, em seguida se pode então iniciar a aquisição dos dados necessários para gerar as informações geográficas demandadas.

Ø Topologia no geodatabase

Topologia é uma área e estudo da matemática, porém no contexto de mapas e cartografia, ela se ocupa com o relacionamento do posicionamento espacial entre feições geográficas, por exemplo, rodovias que estão conectadas, uma área urbana que está contida em um município, ou duas unidades fundiárias adjacentes.

Os usuários de mapas intuitivamente trabalham com topologia quando realizam leituras de mapas. Por exemplo, um motorista procura seguir as rodovias que conectam a origem e o destino de sua viagem.

Os relacionamentos topológicos entre feições podem ser matematicamente obtidos examinando-se as coordenadas das feições, e  os usuários de Sistemas de Informações

Geográficas podem obter vantagens a partir da estrutura topológica de seus mapas digitais.

A estrutura topológica dos dados geográficos digitais também pode ser utilizada para garantir que as feições geográficas estejam corretas; por exemplo, encontrar os locais onde polígonos de um mapa de solos apresentam sobreposição, ou onde as rodovias não estão conectadas, ou ainda onde as rotas de ônibus não são coincidentes com as rodovias.

A topologia em geodatabase se ocupa em oferecer ferramentas que garantam a integridade topológica das feições geográficas. As feições que devam ser supostamente espacialmente coincidentes, como rotas de ônibus sobre ruas, ou ainda limites comuns entre lotes, são “amarradas” para assegurar que realmente sejam coincidentes com a precisão da coordenada armazenada.

É possível controlar o quanto as coordenadas podem ser mover para se tornarem coincidentes, e ainda definir o nível de importância relativa das feature classes nesta movimentação de coordenadas. Por exemplo, é possível forçar que um dado de baixa acurácia se mova em relação a um dado de alta acurácia.

Funções de um Sistema de Informação Geográfica

Atualmente, com o grande desenvolvimento tecnológico que vem ocorrendo, as funções dos programas computacionais para SIG vem aumentando consideravelmente com a adoção de ferramentas para processamento de imagens, processamento de superfícies, captura de dados das mais diversas fontes, etc.

Contudo, se podem agrupar as funções de um SIG em seis grandes categorias, sendo elas as funções para capturar, armazenar e gerenciar, exibir, pesquisar, analisar, e publicar os dados e informações geográficas.

·      Funções para capturar dados geográficos

Existem muitas formas para se capturar dados geográficos, devido aos vários métodos e equipamentos utilizados no levantamento de dados geográficos. É possível utilizar técnicas de topografia com equipamentos tais como teodolitos, trenas, estações totais, etc., pode utilizar ainda receptores de sinais GNSS em levantamentos absolutos ou relativos.

O sensoriamento remoto, através do processamento de imagens digitais obtidas por sensores orbitais também tem sido ao longo dos anos uma importante fonte de dados geográficos. Da mesma forma, se deve considerar a fotogrametria principalmente para levantamentos de alta precisão e acurácia geométrica, considerando as grandes escalas, mais especificamente maiores que 1:25.000.

Devido às complicações tecnológicas referentes à visão tridimensional via tela de computador, as técnicas de fotogrametria, em especial a estereoscopia, só puderam ser implementadas em computadores pessoais recentemente. Todavia, atualmente alguns programas de SIG já incorporaram as funções de fotogrametria, como é o caso do ArcGIS. Além da extensão de fotogrametria, é necessária a utilização de placas de vídeo e óculos especiais para que seja possível a visão estereoscópica (em terceira dimensão).

Além de todos os métodos e equipamentos utilizados no levantamento de dados geográficos, muitas vezes é necessário utilizar mapas prontos, armazenados em meio analógico (papel) e também em meios digitais (CD-ROM, DVD, Internet, etc.). No caso de mapas em papel, esses necessitam ser digitalizados (convertidos da forma analógica para digital), isto pode ser realizado utilizando-se scanners ou mesas digitalizadoras.

Com mesas digitalizadoras são obtidos arquivos digitais armazenados em estruturas vetoriais (pontos, linhas e polígonos), no entanto, a digitalização com este tipo de dispositivo é um processo demorado e oneroso, pois além do próprio custo da mesa digitalizadora para aquisição e manutenção, ainda é necessário a disponibilização de espaço físico considerável para a instalação do equipamento.