Fundamentos de Geoprocessamento Operaes de Anlise Espacial INPE

Fundamentos de Geoprocessamento Operações de Análise Espacial INPE - Divisão de Processamento de Imagens

Por que Álgebras? • Falta de teoria de informação espacial em Geoprocessamento • Software = desenvolvimento “ad hoc” – ensino de SIG: ensino de sistemas • Álgebra geográfica – caracterização das operações de Geoprocessamento – base conceitual para entendimento de SIG – linguagem de manipulação e análise GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 2

Formalização de operações id nome CPF seleção projeção prod. cartesiano união e diferença SELECT nome FROM tabela WHERE “CPF = 21” tabelas álgebra relacional linguagem SQL Operações sobre campos e geo-objetos ? álgebra geográfica linguagem para SIG dados geográficos GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 3

Propriedades de álgebra geográfica • Extensibilidade – especializações de tipos básicos • Quais tipos de dados? • Operações sobre objetos complexos – tipos atômicos (polígonos) e compostos (mapas) • Completeza – existe critério formal para operadores geográficos? GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 4

Álgebra geográfica objetos = op (campos) Álgebra de campos Álgebra de objetos Geo-campos Geo-objetos campos = op (objetos) Propriedades GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 5

Álgebra de geo-campos • Pontuais – reclassificação, fatiamento, classificação – operações booleanas e aritméticas • Locais – função das variações locais da superfície – filtragem em imagens, declividade em MNT • Zonais – função de uma zona delimitada por outro mapa – altitude média de cada município do Ceará GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 6

Geo-campos - ponderação • Transforma temático em numérico – mapa de solos • (tipo, peso): (LE, 0. 35), (Aq, 0. 6), (outros, 0. 2) – atribuição de pesos reflete a importância relativa de cada tipo de solo LA LV LE Aq 0. 35 0. 20 0. 60 GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 7

Geo-campos - fatiamento • Transforma numérico em temático 5. 0 3. 0 8. 0 5. 0 10. 0 12. 0 20. 0 – mapa de declividade (graus) declividade tema 0. 0 - 9. 9 baixa 10. 0 - 19. 9 média acima de 20. 0 alta GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL baixa média 8 alta

Álgebra de campos: operações • Reclassificação – união de classes com atributos comuns – generalização do conjunto espacial – exemplo: classificação do Brasil em regiões GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 9

Operação booleana • Entrada: campos temáticos ou numéricos • Saída: campo temático • Operações – classe_saída = classe_1 (OU/NÃO/E) classe_2 – adequada para análise qualitativa – uso_adequado = {declividade=baixa E tipo de solo=Le E tipo de cultura=café} GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 10

Álgebra de campos: operações • Média ponderada – combinar declividade e solo – adequação = [2*solo_ponderado + 5*(1/declividade)] / 5 • Funções matemáticas – equação universal de perda de solo – P = (erosividade) * (erodibilidade) * (declividade) * (comp. encosta) * (cobertura solo) * (índice proteção) 0. 35 0. 20 0. 60 5. 0 3. 0 8. 0 5. 0 10. 0 12. 0 20. 0 GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 11

Geo-campos: operações zonais • Dados mapas de solos e de declividade calcule a declividade média por tipo de solo 5. 0 LA LV LE 7. 0 7. 5 10. 0 12. 0 15. 0 Aq 15. 0 20. 0 Mapa de solos (restrição) 7. 5 Declividade (dado de entrada) 7. 5 15. 0 20. 0 Máximo Zonal GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 12

Álgebra de geo-objetos • Restrições sobre atributos – seleção das cidades de Alagoas com mortalidade acima de 100% • Restrições espaciais (relacionamentos) – topológicas • escolas municipais do bairro Jardim Satélite – direção • bairros a leste do rio Paraíba – métricas • hospitais a menos de 2 km da via Dutra GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 13

Geo-campos geo-objetos • Operação de intersecção espacial – utilizada em zoneamento (regiões homogêneas) – cada polígono é identificado separadamente – herança dos atributos dos geo-campos originais – identificação das regiões homogêneas de um país a partir do cruzamento dos mapas de vegetação, solos e clima GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 14

Intersecção espacial TS 2 GM 1 VG 2 VG 1 TS 1 VG 3 GM 3 geomorfologia solos vegetação R-III R-IV R-V idreg TS 3 nome geom. veg solo 1203000 R-III GM 2 VG 3 TS 2 1203001 R-IV VG 1 TS 1 GM 3 R-VI GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 15

Geo-objetos geo-campos • Mapas de distância – restrições métricas a partir de geo-objetos – regiões {a menos de 5 km, entre 5 km e 30 km, a mais de 30 km} do rio Nilo • Reclassificação por atributos – geo-campo com a distribuição espacial de um atributo de geo-objetos – mapa temático da América do Sul com o crescimento demográfico anual de cada país dividido em classes ({0% a 2%, entre 2% e 3%, mais de 3%}) GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 16

Mapa de distâncias Classes de distância ao rio Nilo Egito Nilo Determine uma faixa de terra de 200 metros ao longo das margens dos rios GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 17

Reclassificação por atributos Crescimento demográfico de 0 a 2% a. a de 2 a 3% a. a mais de 3% a. a GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 18

Composição de operações • Operações complexas feitas a partir de operações básicas • Envolvem geo-campos e geo-objetos • Cálculo da altitude média de cada cidade da região do Vale do Paraíba • Indicação dos lotes do cadastro urbano de Quixadá que estão em terrenos com declividade média maior que 30% GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 19

Análise espacial em MNT • Fatiamento do MNT • Mapas de declividade e aspecto • Cálculo de perfis • Cálculo de volumes de corte e aterro • Geração automática de drenagem • Análise exploratória através de Krigeagem GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 20

Fatiamento do MNT Imagem MNT fatiado GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 21

Declividade Grade de declividade Declividade fatiada GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 22

Cálculo de Perfis Definição de trajetórias GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 23

A linguagem LEGAL • LEGAL - Linguagem Espaço-Geográfica baseada em Álgebra • Operações – campos • booleanas, matemáticas, locais e zonais – objetos • seleção e junção espacial – mistas • intersecção espacial, mapas de distâncias, reclassificação por atributos GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 24

Álgebra de mapas em SIG • Menus hierárquicos – mais fáceis de usar – menos flexíveis, auto-contidos • Linguagens de comandos – mais flexíveis – tradução de ações em palavras – automatização de sequências – documentação de histórico GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 25

Linguagem de comandos • Componentes Verbo (ação) Recupere Substantivo (elemento) Linha GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL Modificador (ajuste) Horizontal 26

Programa em LEGAL • Declaração Imagem tm 3 (“LANDSAT”), tm 4 (“LANDSAT”); Numerico ndvi (“NDVI”); • Instanciação tm 3 = Recupere (Nome = “banda 3”); tm 4 = Recupere (Nome = “banda 4”); ndvi = Novo (Nome = “ndvi_jun 94”); • Processamento ndvi = (tm 4 - tm 3) / (tm 4 + tm 3); GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 27

Operadores pontuais • Operadores unários (transformação) – pondere: temático numérico – fatie: numérico temático – reclassifique: temático • Operadores matemáticos – numérico • Operadores booleanos – temático ou numérico temático GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 28

Operador booleano Tematico mapa_solo (“Uso_solo”); Tematico mapa_apt (“Aptidao”); Numerico mapa_chuva (“Chuva”); mapa_apt = Atribua(Categoria. Fim = ”Aptidao") { “Boa”: mapa_solo. Classe == “Le” E mapa_chuva > 1500; “Ruim”: Default; }; GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 29

Operador zonal Tematico solo (“Solo”); Numerico decl (“Declividade”), declzon (“Declividade”); solo = Recupere (Nome = “Mapa. Solo”); decl = Recupere (Nome = “Grade. Decl”); declzon = Novo (Nome= “Decl. Media”); declzon = Media. Zonal (decl, solo); GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 30

Campos Objetos • Campos Atributos de Objetos – operador atualize – valor de atributo calculado a partir de temático, numérico ou imagem • Objetos Campos – operador espacialize – temático ou numérico gerado a partir de atributo de objeto GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 31

Campos Objetos talhoes. ”NDVI” = Atualize (ndvi, talhoes On. Map safra 96); GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 32

Campos Objetos solos = Espacialize (utb. ”Solos” On. Map unid); GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 33

Interface para álgebra de mapas • Permite ao usuário expressar seus modelos de análise espacial • Deve considerar a atividade cognitiva do usuário • Aproxima o modelo mental ao modelo conceitual • Faz uso de metáforas GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 34

Linhas de comandos e linguagens de programação • Projetista usa o jargão do usuário como metáfora • Usuário tem dificuldades em: – memorizar um grande número de operadores – escrever os comandos corretamente – selecionar o operador certo para cada tarefa • Documentação eficiente dos procedimentos e do modelo de análise GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 35

Menus e formulários • Questionários eletrônicos – seleção de operadores, operandos e para compor expressões através de listas de opções • Não expressam o modelo de análise • Não armazenam nem recuperam os procedimentos • Auxiliam o usuário a escrever comandos corretos GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 36

Interfaces por manipulação direta • Dados e operadores são representados por ícones – usuário estabelece a sequência de procedimentos conectando os ícones • Difícil manutenção de diagrama de modelos complexos • Requer ajuda de formulários para informar parâmetros • Representa bem o modelo de análise GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 37

AMO - Álgebra de Mapas orientada por Objetos • Usa conceitos de OO para enriquecer semanticamente uma interface • Aumenta a produtividade do usuário de LEGAL • Documenta, armazena e recupera modelos • Acelera o aprendizado do usuário novato • Auxilia na disseminação da tecnologia de geoprocessamento GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 38

AMO - descrição GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 39

Seleção de mapas • Selecionar dados – banco de dados – categoria – projeto – plano de informação • “Browser” do BD-Geo GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 40

Seleção de operadores • Selecionar operadores – seleção livre – seleção por contexto • Configurável – permite a inclusão de novos operadores GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 41

Edição de diagramas GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 42

Visualização do código GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 43

Configuração de comandos e variáveis GEOPROCESSAMENTO - OPERAÇÕES DE ANÁLISE ESPACIAL 44