Sistema de Informações Geográficas

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APOSTILA EAD - SISTEMA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA
1. Definição de conceitos
O geoprocessamento pode ser entendido como um conjunto de tecnologias que tem como objetivo coletar e tratar informações espaciais para um fim específico. Cada aplicação de geoprocessamento é executada por um sistema específico, que recebe o nome de Sistema de Informações Geográficas (Filho e Iochpe, 1996).
Desta forma, Sistemas de Informações Geográficas (SIG) são sistemas computacionais capazes de capturar, armazenar, consultar, manipular, analisar e imprimir dados referenciados espacialmente, em relação à superfície do planeta Terra (Ferreira, 2006).
Para entendermos na prática o que é SIG, é necessário definir o que é uma informação geográfica e como ela é apresentada:
· informação sobre locais na superfície da Terra;
· conhecimento sobre onde alguma coisa está;
· conhecimento sobre o que está em uma dada localização.
A informação geográfica pode ser muito detalhada, como por exemplo:
· informação sobre as localizações de todas as edificações em uma cidade;
· informação sobre cada árvore em uma floresta.
Para realizar coletas e manipulações de informações geográficas na forma digital, se fez necessário, o desenvolvimento de várias tecnologias, sendo que as de importante destaques são (Ferreira, 2006):
· Sistema de Satélite de Navegação Global (GNSS): é um sistema de satélites orbitando a Terra e transmitindo sinais precisos para o posicionamento geográfico. Os sinais transmitidos pelos satélites são recebidos, na superfície terrestre, por dispositivos eletrônicos especiais (receptores GNSS). São esses receptores que irão realizar a medida direta de posição na superfície da Terra. A localização é expressa em latitude/longitude ou ainda outro em outro sistema de coordenadas.
· Sensoriamento Remoto: esse sistema utiliza sensores a bordo de satélites e aeronaves para capturar informações sobre a superfície e atmosfera terrestre. Os sensores variam de acordo com a capacidade de detalhamento da observação espacial, espectral, temporal e radiométrica. Os sinais capturados pelos sensores são transmitidos para a Terra, recebidos em estações onde eles são transformados em imagens digitais.
Numa visão abrangente, pode-se indicar que um SIG tem os seguintes componentes:
· Interface com usuário
· Entrada e integração de dados
· Funções de processamento gráfico e de imagens
· Visualização e plotagem
· Banco de dados geográficos
De uma forma geral, as funções do SIG operam sobre dados em uma área de trabalho em memória principal. Os dados são recuperados dos arquivos em disco (que podem ser controlados por um sistema gerenciador de bases de dados -SGBD) e carregados em memória, a partir da definição de uma região geográfica de interesse. A Figura 1 ilustra o interrelacionamento desses principais componentes (Silva, 2006). Cada sistema, em função de seus objetivos e necessidades, implementa estes componentes de forma distinta, mas todos os subsistemas citados estão presentes num SIG.
Figura 1. Estrutura Interna do SIG
Fonte: Silva (2006)
A interface é responsável pela comunicação do sistema com o usuário, sendo definido como o sistema é operado e controlado. A camada intermediária é subdividida em três partes: 
· entrada e integração de dados - responsável pela captação e conversão dos dados; 
· consulta e análise espacial - responsável pela execução de análises espaciais, como operação topológica;
· visualização e plotagem - responsável pelo resultado final do objeto. 
O terceiro e último nível é o armazenamento dos dados geográficos, onde os atributos podem ser recuperados.
Além disso, o SIG pode ser subdividido também em (Silva, 2006): 
· software: é formado por um conjunto de programas, que tem por objetivo coletar, armazenar, processar e analisar dados geográficos. 
· hardware: é o conjunto de equipamentos necessários para o desempenho das funções realizadas pelo software, em que se pode usar o computador e seus periféricos, como impressora, scanner, plotter e unidades de armazenamento.
Assim, os dados são coletados por esses sistemas e são armazenados numa base de dados geográficos (ou espaciais) e não geográficos, que também podemos chamá-los de tabulares. Os programas computacionais de SIG possuem ferramentas para manipular esses dados geográficos, a fim de produzir informações geográficas. Cabe aqui ser entendidas as seguintes diferenças: 
· Dados espaciais são utilizados para representar graficamente elementos geográficos (drenagem, sistema viário, relevo, vegetação, limite político etc.), enquanto que os dados tabulares são relacionados aos dados gráficos e tem como função descrever mais detalhadamente os elementos geográficos.
Desta forma, os dados georreferenciados são produzidos a partir da relação entre os dados espaciais e os dados tabulares, a função destes dados é representar graficamente, fisicamente, quantitativamente e qualitativamente os elementos existentes na superfície terrestre (Ferreira, 2006). Os dados tratados em SIG’s incluem: imagens de satélite, modelos numéricos de terreno, mapas temáticos, redes e dados tabulares (veja mais detalhes da Seção 3.)
2. Áreas de atuação
Atualmente, um SIG pode ser aplicado a praticamente todas as atividades humanas, uma vez que essas atividades são sempre executadas em algum local, em alguma posição geográfica. Esses sistemas têm sido utilizados principalmente me órgãos públicos, nos níveis federal, estadual e municipal; em institutos de pesquisa, empresas de serviço de utilidade pública, em segurança militar, entre outros.
Essas diversas áreas de aplicação podem ser classificadas da seguinte forma (Filho e Iochpe, 1996):
· Ocupação Humana: planejamento e gerenciamento urbano (ex: redes de infraestrutura como água e esgoto, cadastramento territorial urbano e mapeamento eleitoral), saúde (ex: rede hospitalar, controle epidemiológico), educação (ex: rede de ensino), transporte (ex: roteirização de veículos, controle de tráfego) e segurança (ex: controle de tráfego aéreo, cartografia náutica).
· Uso da Terra: planejamento agropecuário, classificação de solos e vegetação, cadastramento de propriedades rurais, levantamento topográfico e planialtimétrico.
· Uso de Recursos Naturais: controle de extrativismo, classificação de poços de petróleo, identificação de mananciais, gerenciamento costeiro e marítimo.
· Avaliação de Impactos Ambientais: controle de queimadas, mapeamento de emissões de poluentes atmosféricos, mapeamento da destinação final de resíduos sólidos.
· Atividades Econômicas: planejamento de marketing, pesquisas socioeconômicas, distribuição de produtos e serviços.
Essas aplicações requerem a montagem de uma equipe multidisciplinar, envolvendo profissionais de informática, bancos de dados, cartografia (cartografia, sensoriamento remoto, fotogrametria, geodésia, etc.) e os outros profissionais das áreas de aplicações do SIG, ou seja, se o SIG estiver sendo aplicado na gestão de distribuição elétrica, se fazem necessários na equipe os profissionais diretamente relacionados com gestão de eletricidade, o mesmo raciocínio pode ser feito com relação a agricultura, planejamento urbano, entre outros. Além desses profissionais, se faz necessário contemplar também as pessoas que utilizarão as informações geográficas produzidas pelo sistema, pessoas essas, nem sempre relacionadas com a aplicação ou a instituição onde o sistema está implantado (Ferreira, 2006).
3. Dados Georreferenciados
Os dados georreferenciados são um conjunto de informações manipuladas pelas aplicações de geoprocessamento. Esses dados recebem essa denominação específica por possuírem atributos relacionados à sua localização geográfica, dentro de um sistema de coordenadas. A seguir serão apresentadas as características e a forma como esses dados são apresentados pelo sistema.
3.1. Mapas e conceitos de cartografia
Tradicionalmente, os mapas têm sido as principais fontes de dados para os SIG. Portanto, um mapa é uma representação espacial, em escala e sobre uma superfície plana, dediversas características sobre ou em relação à superfície da terra (Filho e Iochpe, 1996). A confecção de um mapa requer a seleção e classificação dessas características em grupos, de forma a simplificar sua representação em diferentes classes. 
Especificamente nos SIG existe o conceito de mapas temáticos, que são elaborados com objetivos mais específicos, por conter informações sobre um único tipo de objeto. A ideia de mapa temático é a de que para uma mesma região podem ser criadas diversas camadas de dados, uma para cada tema a ser representado (Figura 2).
 
Figura 2. Conjunto de temas sobre uma mesma região espacial
Fonte: Filho e Iochpe (1996)
Para a construção de um mapa, é importante o entendimento dos conceitos cartográficos de escala e projeção (Filho e Iochpe, 1996). A escala de um mapa é a razão entre as distâncias no mapa e suas correspondentes distâncias no mundo real. Por exemplo, em um mapa de escala 1:50.000, um centímetro no mapa corresponde a 50.000 cm (ou 500m) na superfície terrestre. Uma escala grande, como a de 1:10.000 (1cm no mapa corresponde a 100m), é suficiente para representar o traçado urbano de ruas em uma cidade. Porém, é insuficiente caso a aplicação necessite manipular informações a nível de lotes urbanos. Já em uma escala pequena, tipo 1:250.000 (1cm no mapa corresponde a 2,5Km), somente grandes feições/fenômenos geográficos podem ser representados, como por exemplo, tipos de solos, limites municipais, rodovias, entre outros.
Já a projeção é um método matemático, através do qual, a superfície curva da terra é representada sobre uma superfície plana. Existem diferentes tipos de projeções utilizadas na confecção de mapas, estas projeções atendem a objetivos distintos, podendo preservar a área (projeção equivalente) das características representadas, a forma das características (projeção conformal) ou mesmo a distância (projeção eqüidistante) entre pontos no mapa.
3.2. Natureza dos dados
Segundo Filho e Iochpe (1996), os dados georreferenciados possuem quatro componentes principais, que armazenam informações sobre o que é a entidade, onde ela está localizada, qual o relacionamento com outras entidades e em que momento ou período de tempo a entidade é válida. São eles:
· Atributos qualitativos e quantitativos: armazenam as características das entidades mapeadas, podendo ser representados por tipos de dados alfanuméricos. Estes atributos possuem aspectos não-gráficos e podem ser tratados pelos SGBDs convencionais.
· Atributos de localização geográfica: diz respeito à geometria dos objetos e envolve conceitos de métrica, sistemas de coordenadas, distância entre pontos, medidas de ângulos, posicionamento geodésico, etc.
· Relacionamento topológico: representam as relações de vizinhança espacial interna e externa dos objetos. Este aspecto requer a existência de modelos e métodos de acesso não-convencionais para sua representação nos SGBDs.
· Componente tempo: diz respeito às características temporais, sazonais ou periódicas dos objetos. O aspecto temporal em SGBD, pode incluir três tipos de medida de tempo: instante de tempo, intervalo de tempo e relacionamentos envolvendo o tempo, como noções de antes, depois, durante, entre outros.
Dentro de um SIG, estes componentes podem ser classificados em três categorias
de dados: 
· dados convencionais - atributos alfanuméricos usados para descrever os objetos (ex.: nome e população de uma cidade); 
· dados espaciais - descrevem a geometria, a localização e os relacionamentos topológicos dos objetos geográficos; e 
· dados pictórios - atributos que armazenam imagens (ex.: fotografia de uma cidade).
3.3. Qualidade dos Dados
Dados com erros podem surgir nos SIG, mas precisam ser identificados e tratados. Os erros podem ser introduzidos no banco de dados de diversas formas: serem decorrentes de erros nas fontes originais, serem adicionados durante os processos de obtenção e armazenamento, serem gerados durante a exibição ou impressão dos dados ou surgirem a partir de resultados equivocados em operações de análise dos dados.
A qualidade dos dados pode ser medida a partir da análise dos seguintes componentes: acurácia posicional, acurácia dos atributos, consistência lógica (relacionamentos topológicos), resolução da imagem, completude de informações, fator tempo e histórico do processo de obtenção dos dados.
Acurácia pode ser definida como a estimativa dos valores serem verdadeiros, ou como a probabilidade de uma predição estar correta. Sempre existe, em algum grau, um erro associado com todas as informações espaciais. O objetivo quando se trata de identificar erros nem sempre é o de eliminá-los, mas sim de gerenciá-los. Embora todos os dados espaciais sejam representados com erro em algum grau, eles geralmente são representados computacionalmente com alta precisão. 
Precisão é definida como o número de casas decimais ou dígitos significativos em uma medida. Se um objeto espacial possui atributos de posicionamento com vários dígitos significativos não implica que esta informação seja acurada. A acurácia dos dados é crucial para que os usuários confiem no sistema. Dados com erros significativos podem afetar os resultados de análises por diversos anos, antes de serem descobertos.
4. Armazenamento de dados
Os SIG precisam armazenar grandes quantidades de dados e torná-los disponíveis para operações de consulta e análise. Os Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados (SBGD) são ferramentas fundamentais para os SIG, embora muitos ainda utilizem sistemas de arquivos para fazer o gerenciamento dos dados. Isto dificulta por exemplo, o intercâmbio de dados e ainda obriga os usuários a conhecerem as estruturas internas de armazenamento de dados.
Para que se tenha o entendimento do funcionamento do banco de dados e SIG, é essencial que se compreenda os conceitos a seguir:
4.1. Conceitos básicos de banco de dados
Segundo Filho e Iochpe (1996), temos os seguintes elementos no banco de dados em SIG:
· Identidade
Elementos da realidade modelados em um banco de dados geográfico têm duas identidades: o elemento na realidade, denominado entidade e o elemento representado no banco de dados, denominado objeto. Uma terceira identidade usada em aplicações cartográficas é o símbolo usado para representar entidades/objetos como uma feição no mapa.
· Entidade
É qualquer fenômeno geográfico da natureza, ou resultante da ação direta do homem, que é de interesse para o domínio específico da aplicação.
· Objeto
É a representação digital de uma entidade, ou parte dela. A representação digital varia de acordo com a escala utilizada (ex.: um aeroporto pode ser representado por um ponto ou uma área, dependendo da escala em uso).
· Tipo de Entidade
É a descrição de um agrupamento de entidades similares, que podem ser representadas por objetos armazenados de maneira uniforme (ex: o conjunto das estradas de uma região). Fornece uma estrutura conceitual para a descrição dos fenômenos.
· Tipo de Objeto Espacial
Cada tipo de entidade em um Banco de Dados Espacial é representado de acordo com um tipo de objeto espacial apropriado. A Figura 3 mostra os tipos básicos de objetos espaciais, definidos pelo US National Digital Cartografic Standart e classificados segundo suas dimensões espaciais:
Figura 3. Tipos de objetos espaciais
Fonte: Filho e Iochpe (1996)
· Classe de Objeto
Descreve um conjunto de objetos que representa um conjunto de entidades. Por exemplo, o conjunto de pontos que representam um conjunto postes de uma rede elétrica ou o conjunto de polígonos representando lotes urbanos.
· Atributo
Descreve as características das entidades, normalmente de forma não-espacial. Exemplos são o nome da cidade, diâmetro de um duto, etc.
· Valor de Atributo
Valor quantitativo ou qualitativo associado ao atributo. (ex.: nome da cidade = 'Recife', diâmetro do duto = 1 ½").
· Camada (layer)
Os objetos espaciais em um BD Geográfico podem ser agrupados e dispostos em camadas. Normalmente, uma camada contém um único tipo de entidade ou um grupo de entidades conceitualmenterelacionadas a um tema (ex.: uma camada pode representar somente as rodovias de uma região, ou pode representar também as ferrovias).
4.2. Modelos de Dados para SIG
O banco de dados é um modelo da realidade por representar um conjunto selecionado de fenômenos da realidade, que podem estar associados a diferentes períodos de tempo (passado, presente ou futuro). Modelagem de dados geográficos é o processo de discretização que converte uma realidade geográfica complexa em um conjunto finito de registros ou objetos de um banco de dados.
Os modelos de dados existentes para SIG estão relacionados com as diferentes formas de percepção da realidade que podem ser empregadas, podendo ter duas visões distintas:
Na visão de campo, a realidade é modelada por variáveis que possuem uma distribuição contínua no espaço, como por exemplo, temperatura, tipo de solo ou relevo. Todas as posições no espaço geográfico estão associadas a algum valor correspondente à variável representada. Os objetos definidos com uso do modelo são, na verdade, abstrações que representam fenômenos que acontecem na realidade (ex.: temperatura, pressão, umidade).
Por outro lado, na visão de objetos, entidades reais são observadas como estando distribuídas sobre um grande espaço vazio, onde nem todas as posições estão preenchidas e, além disso, mais de uma entidade pode estar situada sobre uma mesma posição geográfica.
Podem ser diferenciados seis tipos de modelos de dados, baseados na visão de campo, que são usados em SIG (Figura 4):
Amostragem Irregular de Pontos: o banco de dados contém um conjunto de tuplas <x,y,z> representando valores coletados em um conjunto finito de localizações irregularmente espaçadas (ex.: estações de medição de temperatura).
· Linhas de Contorno: o banco de dados contém um conjunto de linhas, cada uma com um valor z associado (ex.: curvas de nível).
· Polígonos: a área é particionada em um conjunto de regiões, onde a cada região está associado um valor que é único em todas as suas posições (ex.: tipos de solos).
Amostragem Regular de Pontos: Como no item a, porém, com pontos distribuídos regularmente. (ex.: Modelos Numéricos de Terreno).
· Grade Regular de Células - A área é dividida em uma grade regular de células, onde o valor de cada célula corresponde ao valor da variável para todas as posições dentro da célula (ex.: imagens de satélites).
· Grade Triangular - a área é particionada em triângulos irregulares. O valor da variável é definido em cada vértice do triângulo e varia linearmente sobre o triângulo.
Figura 4. Modelos de dados de visão de campo
Fonte: Filho e Iochpe (1996)
Já no Modelo de Objetos, os objetos são representados como pontos, linhas ou áreas. Dois objetos podem estar localizados na mesma posição geográfica, ou seja, podem possuir coordenadas idênticas.
4.3. Objetos Espaciais
Os objetos espaciais são as representações das entidades do mundo real, armazenadas no BD Geográfico. A seguir, é descrito como que objetos primitivos do tipo ponto, linha, área ou superfície, são usados para representar as diferentes entidades da realidade.
· Ponto
As entidades representadas por objetos do tipo ponto, são aquelas que não possuem dimensões significativas, de acordo com a escala em uso. Entidades como postes elétricos, hidrantes, nascentes de rios, pontos de ônibus, etc, normalmente são representadas pontualmente em mapas de escalas grandes (ex.: 1:5.000). Porém, em mapas de escalas um pouco menores (ex.: 1:20.000), os pontos são usados para representar a localização de escolas, hospitais, prédios públicos, etc. Já, em escalas bem pequenas, os pontos podem representar a localização de cidades no mapa.
As coordenadas dos objetos tipo ponto podem ser armazenadas como dois atributos extras na tabela de atributos da entidade. Por exemplo, as coordenadas dos pontos que representam a localização de escolas municipais de um determinado bairro podem ser armazenadas na tabela de escolas, junto com os demais atributos descritivos.
· Linha
As entidades que são representadas por objetos do tipo linha são aquelas que possuem uma distribuição espacial linear (na escala em uso), como por exemplo as ruas, rodovias, estradas de ferro, cabos telefônicos, rios, etc.
As linhas também são usadas, juntamente com os pontos, para representar estruturas de redes, que são usadas em aplicações do tipo redes de utilidades públicas (ex.: luz, telefone, gaz e água), redes viárias (ex.: malha rodoviária, ferroviária, hidroviária, linhas aéreas) e redes naturais (ex.: hidrográfica).
Os atributos dos dados em uma rede podem estar relacionados aos nós ou às ligações. Como exemplo de atributos de ligações pode-se citar: direção do sentido do tráfego em uma rua, distância entre duas cidades, diâmetro de uma tubulação, voltagem da rede elétrica, etc. Para atributos associados aos nós da rede pode-se citar: existência de semáforo em um cruzamento, tipo de válvula em um nó de rede de água, tipo do transformador de voltagem em uma rede elétrica, entre outros.
· Polígono
Entidades com características bidimensionais são representadas no banco de dados por objetos do tipo polígono/área. Os limites das entidades podem ser definidos originalmente pelos próprios fenômenos (ex. limites de um lago, região costeira, etc), ou podem ter sido criados pelo homem (ex.: limites de um município, área de reserva florestal, etc).
Quanto à distribuição no espaço, as entidades podem ser representadas por polígonos isolados com possibilidade de sobreposição, ou cada posição tem que pertencer a exatamente uma única entidade.
4.4. Modelos de Representação de Dados Espaciais
A variação geográfica no mundo real é infinitamente complexa. Para serem armazenados no banco de dados, os dados precisam ser reduzidos a uma quantidade
finita e gerenciável, o que é feito através de processos de generalização ou abstração. Um Modelo de Dados fornece um conjunto de regras para converter variações geográficas no mundo real, em objetos discretos armazenados de forma digital. 
Existem duas abordagens principais de representação dos componentes espaciais associados às informações geográficas: o modelo matricial (ou raster) e o modelo vetorial, exemplificados na Figura 5. No modelo matricial, a área em questão é dividida em uma grade regular de células, normalmente quadradas ou retangulares. A posição da célula é definida de acordo com a linha e a coluna onde está localizada. Cada célula contém um valor que corresponde ao tipo de entidade que é encontrada naquela posição. Normalmente, uma área é representada através de diferentes camadas (mapas temáticos), onde as células de uma camada armazenam os valores associados a uma única variável ou tema (ex.: tipo de solo, hidrologia, relevo, etc). O espaço é todo coberto, uma vez que cada localização na área de estudo corresponde a uma célula na imagem matricial.
No modelo vetorial, as entidades do mundo real são representadas como pontos, linhas e polígonos. A posição de cada objeto é definida por sua localização no espaço, de acordo com algum sistema de coordenadas. Objetos vetoriais não preenchem todo o espaço, ou seja, nem todas as posições do espaço necessitam ser referenciadas no modelo.
Figura 5. Representação matricial e vetorial
Fonte: Filho e Iochpe (1996)
Referências
Ferreira, N. C. Apostila de Sistema de Informações Geográficas. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. Goiânia, 2006.
Filho, J. R. e Iochpe, C. Introdução a Sistemas de Informações Geográficas com Ênfase em Banco de Dados. Universidade Federal de Viçosa e Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Viçosa e Porto Alegre, 1996.
Silva, M. S. Sistemas de Informações Geográficas: elementos para o desenvolvimento de bibliotecas digitais geográficas distribuídas. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência da Informação da UNESP. Marília - São Paulo, 2006.
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