Determinação de características fisiográficas de bacias usando ferramentas de geoprocessamento

1. Determinação de características fisiográficas de bacias usando ferramentas de geoprocessamento Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo F. Passos das Neves CTEC – UFAL

2. Tópicos • O que é Geoprocessamento • O que é um SIG • Importância do Geoprocessamento em Recursos Hídricos • Noções de cartografia • O MapWindow • Aprendendo a usar o MapWindow • Ferramentas de Hidrologia no MapWindow • Exercício para Bacia do rio Paraíba

3. Geoprocessamento • Conjunto de ferramentas usadas para coleta etratamento de informações espaciais,geração de saídas na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc; • Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.

4. Geoprocessamento X SIGs • Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente). • Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.

5. SIG’s - Definições • Burrough “Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real” • Cowen “Um sistema de suporte à decisão que integra dados referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas” • Smith “Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”

6. SIG’s - Definições • Oppenshaw “Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”. • Goodchild “O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “ • Dangerramond “Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a disponível de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”

7. Software SIG • Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa. • A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde. • adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with ArcGIS

8. Por que utilizar cartografia computadorizada? • Fazer mapas mais rapidamente. • Fazer mapas mais baratos. • Fazer mapas para usos específicos. • Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de pessoal especializado • Permitir experimentos com representações espaciais diversas dos mesmos dados. • Facilitar atualização de mapas. • Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística e mapas. • Minimizar a necessidade de mapas em papel. • Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D, mapas estereoscópicos). Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell

9. Estrutura de um SIG Entrada e Integr. Consulta e Análise Visualização Dados Espacial Plotagem Gerência Dados Espaciais BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO Interface

10. O que deve existir num SIG? • Mostrar localização de entidades específicas. • Mostrar localização de entidade A em relação ao local B. • Contar o número de ocorrências da entidade A dentro de uma região definida por uma distância máxima ou mínima da entidade B. • Avaliar o valor da função f na posição x. • Calcular o tamanho de B (área, perímetro, número de entidades A no interior). • Permitir operações de união e intersecção. • Permitir encontrar caminhos ótimos entre dois pontos. • Listar os atributos das entidades localizadas em x.

11. O que deve existir num SIG? • Determinar que entidades estão próximas às entidades que combinam certos atributos. • Reclassificar entidades que apresentam certa combinação de atributos. • Conhecendo o valor de uma variável z nos pontos x1, x2,... xn, definir o valor de z nos pontos y1, y2,... yn. • Derivar novos atributos a partir de atributos existentes. • Usando a base de dados como uma representação do mundo real, simular o efeito de um processo P ao longo de um período T num determinado cenário S.

12. O que é um mapa? • Mapa:modelos simplificados da realidade • representa, normalmente em escala, uma seleção de entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).

13. Produção de um Mapa • Definição de escala e projeção cartográfica • Seleção dos elementos do mundo • Classificação em grupos (e.g. tipos de solo) • Simplificação de elementos gráficos • Exagero de elementos importantes • Simbologia para apresentar dados

14. Tipos de Mapas em Geoprocessamento • Características dos mapas: diversidade de fontes geradoras e de formatos apresentados. • O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de dados: • Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso do solo, clima); • Imagens; • Mapas Numéricos(representação de superfícies) • Mapas Cadastrais e Redes(localização de objetos do mundo - e.g. lotes)

15. Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos • Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica • Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de processos. • Uso dos recursos hídricos – Cobertura e uso do solo (urbanizado, florestas, campos agrícolas) • A cobertura e uso do solo se distribui no espaço de forma heterogênea e dinâmica. • Cada elemento responde diferentemente em funções dos processos hidrológicos.

16. Modelos Complexos em Bacias B A C Dados Meteorológicos D Distribuição do uso do solo E HSPF HSPF Dados do rio F Dados específicos de uso do solo e poluição Dados da bacia Fontes pontuais Interface em Windows SIG Modelo Pos-Processamento

17. Mas cuidado! • Os SIG tem um impacto muito grande sobre qualquer área do conhecimento que está ligada ao manejo e análise de dados distribuídos no espaço. Algumas pessoas podem enxergar os SIG como uma mágica, como em: “…os dados foram inseridos no computador e a resposta é …”. A velocidade, consistência e precisão de um SIG são impressionantes, e as figuras podem ser bonitas. Com a experiência, no entanto, o SIG passa a ser uma mera extensão da capacidade de pensar do usuário. O SIG não tem respostas inerentes, somente o usuário. SIG é uma ferramenta, como a estatística e a modelagem hidrológica.

18. Bibliografia - Livros • Fundamentos de Sistemas de Informações Geográficas; José Iguelmar Miranda (Embrapa) 2005. • Análise espacial de dados geográficos; Vários autores (EMBRAPA) 2004. • Geoprocessamento em Recursos Hídricos: Princípios, Integração e Aplicações. Carlos André Bulhões Mendes e José Almir Cirilo 2001. • Fundamentos de informação geográfica. João Matos 2001 • Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. P. A. Bourrough

19. Bibliografia - Manuais • Tutorial do Idrisi • Tutorial e Help do SPRING • Tutorial e Help do MapWindow • Tutorial e Help do ArcGIS • Manuais de outros programas

20. Bibliografia - Periódicos • International Journal of Geographical Information Science • Geographical Analysis • Computers and Geosciences • Photogrametric Engineering and Remote Sensing • Remote Sensing and Environment • Environment and Planning B: Planning and Design • Periódicos da área de recursos hídricos (WRR; Journal of Hydrology; Environmental modeling and software; Journal of Hydrologic Engineering; HESS; IAHS; Hydrological Processes...)

21. Noções de Cartografia • Escalas • Entidades espaciais • Sistema de coordenadas • Formas de representar a superfície da Terra • Sistema Geográfico de Coordenadas • Projeções • Projeção UTM

22. Escala • Virtualmente todas as fontes de dados espaciais são menores do que a realidade que elas representam • A escala indica quão menor que a realidade é um mapa • é a razão entre a distância do mapa e a correspondente distância na terra.

23. Escala • É expressa de três formas • um quociente (1:5000; 1:5.000.000) • verbalmente (1 cm representa 50m) • graficamente (ícones usados em mapas computadorizados • Terminologia • escala pequena (1:250.000, 1:1.000.000) cobrem áreas grandes • escala grande (1:10.000, 1:25.000) cobrem áreas pequenas com muito detalhes

24. Entidades espaciais (feições) • Tradicionalmente, mapas são usados para representar elementos do mundo real • Símbolos espaciais básicos são: ponto, linha e área. • A escolha de um destes símbolos para representar uma entidade espacial depende da escala. • Exemplo: cidades representadas num mapa • num mapa mundi pontos poderiam ser adotados • num mapa regional áreas seriam adotadas • num mapa local: pontos, linhas e áreas

25. Sistemas de coordenadas • No século XVII Rene Descartes contribuiu para unir a álgebra e a geometria inventando o sistema de coordenadas y x,y que passou a ser chamado Sistema Cartesiano x

26. Sistema de coordenadas cartesiano • Qualquer ponto em um plano é definido pelas suas coordenadas x e y. y x,y x

27. Sistema de coordenadas cartesiano • Uma reta que passa pelos pontos x1 e y1 e x2 e y2 pode ser definida como uma equação algébrica em termos de y e x. y x,y x

28. Sistema de coordenadas cartesiano • Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas x, y e z. x,y,z z y x

29. Sistema de coordenadas polar • Qualquer ponto no plano pode ser definido pelas suas coordenadas r, q

30. Sistema de coordenadas esférico • Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas r, q e j.

31. Conversões entre sistemas

32. Exemplo de utilidade dos sistema de coordenadas Cálculo de distâncias entre pontos

33. Formas de representar a superfície da Terra • A forma da Terra • No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer observou na Guiana Francesa: • Um relógio com pêndulo de 1m, atrasava cerca de 2 minutos e meio por dia em relação à Paris. • Fazendo análise gravitacional, percebeu que na zona equatorial a distância entre a superfície e o centro da Terra deveria ser maior do que esta distância medida dos Pólos, conclusão: • A terra NÃO seria uma esfera perfeita e sim “achatada”. => Surge então o Elipsóide!!! • Diâmetro equatorial = 12.756Km e diâmetro do eixo de rotação = 12.714km, com diferença de 42km, o que representa um achatamento de perto de 1/300, por isso, a terra vista do espaço assemelha-se a uma esfera.

34. Formas de representar a superfície da Terra • Esfera: definida pelo raio R = 6.370.997 m numa área de aproximadamente 520 M Km2 • Esferóide: definida por • semi-major axis (a) e semi-minor axis (b) • WGS 84 (padrão dos USA) • a = 6.378.137 e b = 6.356.752,3142 • Clarke 1866 (padrão histórico no US) • a = 6.378.205,4 e b = 6.356.583,8

35. Formas de representar a superfície da Terra

36. Sistema de Coordenadas Geográficas • Baseadas numa simplificação da forma da terra (esfera ou elipsóide) • Definem a posição de um ponto utilizando ângulos chamados latitude e longitude

37. Longitude

38. Latitude

39. Problemas do Sistema de Coordenadas Geográficas • Qual é a distância entre o ponto A (56 W e 32 S) do ponto B (45 W e 31 S)? • É possível calcular, considerando que a terra é uma esfera, ou um elipsóide, mas é difícil manualmente.

40. Solução: Projeção para sistema de coordenadas cartesianas x,y

41. Projeções • Localizamos as feições da terra num plano 2-D (mapa) • Mundo é esférico e mapa é 2-D • Portanto, precisamos de uma projeção de mapa, que transfere a terra esférica no mapa num plano • Este processo introduz erros nos dados espaciais

42. Projeções • Existem várias projeções que são adotadas de acordo com o local e que minimizam estes erros • Exemplo: Algumas projeções preservam as distâncias entre as entidades em detrimento da direção • Outras, forma é preservada em detrimento da acurácia na área • Se colocarmos uma lâmpada dentro de uma bola que tem o desenho da terra, e projetarmos a luz numa parede, veremos que a parte central da imagem é melhor representada

43. Projeções • Distorção de projeção ocorre em: • Forma, área, distância ou direção • Projeções diferentes produzem distorções diferentes. • As características de cada projeção definem sua utilidade para algumas aplicações e inutilidade para outras.

44. Projeções • Cilíndrica • (mercator) a superfície da terra é projetada num cilindro que envolve o globo. • Imagem contínua da terra • Países perto do equador têm verdadeiras posições relativas • A visão dos pólos é bastante distorcida • Área é preservada em grande parte • Mantém escala, forma, área para pequenas áreas.

45. Projeção Cilíndrica

47. Projeções • Azimuthal • Projeção num plano • Apenas parte da superfície da terra é visível • A visão será metade do globo ou menos • Distorção ocorre nos quatro cantos do plano • Distância é preservada na maior parte

48. Projeção Azimuthal

49. Referência Espacial: Exemplo de Projeções • Lamberth Azimuthal

50. Projeções • Cônica • a superfície da terra é projetada num cone que envolve o globo. • Área é distorcida • Distância é muito distorcida quando se move para baixo da imagem • Escala é preservada na maior parte da imagem