fundamentos de informação geográfica

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Esta obra destina-se ao apoio no ensino das ciências da informação geográfica ao nível superior e de pós-graduação, podendo servir como referência de conceitos fundamentais para profissionais e utilizadores de sistemas de informação geográfica. O seu conteúdo reflecte o corpo de conhecimento associado às ciências da informação geográfica, abrangendo as matérias que são consideradas imprescindíveis para uma boa utilização prática.

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Índice

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Prefácio .......................................................................................................................................................................................... X1

1 Introdução .................................................................................................................................................................................. 1 1.1 Sistemas de Informação Geográfica e Ciência de Informação Geográfica ............................................ 1 1.2 Componentes do Conhecimento de Ciência de Informação Geográfica ................................................ 2

2 Desenvolvimento da Ciência de Informação Geográfica ......................................................................................................... 5 2.1 Antecedentes ........................................................................................................................................... 5 2.2 Cronologia do Desenvolvimento Recente .............................................................................................. 5

3 Modelação Geográfica .............................................................................................................................................................. 15 3.1 Fenómeno, Ontologia e Universo do Discurso ..................................................................................... 15 3.2 Terminologia ......................................................................................................................................... 15 3.3 Modelação Geográfica .......................................................................................................................... 17 3.4 A Natureza dos Fenómenos .................................................................................................................. 18 3.5 O Modo de Observação ........................................................................................................................ 19 3.6 Objectivo do Processo de Modelação Geográfica ................................................................................ 21 3.7 Concretização de Modelos Conceptuais ............................................................................................... 25

4 Modelos de Dados Geográficos ............................................................................................................................................... 29 4.1 Introdução ............................................................................................................................................. 29 4.2 Modelos Vectoriais ............................................................................................................................... 29 4.3 Modelos Matriciais ............................................................................................................................... 39 4.4 Modelo Orientado por Objectos ........................................................................................................... 41 4.5 Modelos Difusos ................................................................................................................................... 44 4.6 Modelos Temporais .............................................................................................................................. 45 4.7 Modelos Tridimensionais ..................................................................................................................... 48

5 Sistemas de Referenciação Geográfica .................................................................................................................................... 51 5.1 Descrição Geral de Sistemas de Coordenadas ...................................................................................... 51 5.2 Geóide ................................................................................................................................................... 52 5.3 Sistemas Geodésicos Elipsoidais .......................................................................................................... 53 5.4 Datum Geodésico .................................................................................................................................. 55 5.5 Sistemas de Referência ......................................................................................................................... 56 5.6 Referenciais Altimétricos e Altitude ..................................................................................................... 57 5.7 Rede Geodésica ..................................................................................................................................... 58 5.8 Projecções Cartográficas ....................................................................................................................... 59 5.9 Relação entre Coordenadas Geodésicas, Rectangulares e Elipsoidais, e Cartográficas ....................... 61 5.10 Data e Projecções Cartográficas em Portugal ..................................................................................... 64 5.11 Transformação de Coordenadas entre Diferentes Data ........................................................................ 69

5.12 Transformação de Coordenadas com Seccionamento .......................................................................... 77

6 Geometria e Topologia em Modelos Vectoriais ..................................................................................................................... 81 6.1 Introdução ............................................................................................................................................. 81 6.2 Relacionamento Espacial Implícito entre Objectos .............................................................................. 81 6.3 Geometria em Modelos Vectoriais ....................................................................................................... 86 6.4 Elementos de Teoria de Grafos ........................................................................................................... 104

7 Análise Espacial em Sistemas Vectoriais .............................................................................................................................. 113 7.1 Introdução ........................................................................................................................................... 113 7.2 Operações de Análise Espacial em Sistemas Vectoriais .................................................................... 114 7.3 Exemplos de aplicação ........................................................................................................................ 124 7.4 Operações típicas ................................................................................................................................ 126

VIII Fundamentos de Informação Geográfica

8 Análise Espacial em Sistemas Matriciais ................................................................................................................................ 133 8.1 Operações em Sistemas Matriciais ................................................................................................... 133 8.2 Superfícies de Custo .......................................................................................................................... 139 8.3 Autómatos Celulares ......................................................................................................................... 144

9 Métodos de Interpolação Espacial .......................................................................................................................................... 149 9.1 Aplicação e Tipos de Métodos de Interpolação ................................................................................ 149 9.2 Métodos de Interpolação Determinísticos ......................................................................................... 150 9.3 Métodos de Interpolação Geoestatísticos .......................................................................................... 154 9.4 Análise Exploratória de Dados Espaciais ......................................................................................... 160

10 Modelos Digitais de Terreno ................................................................................................................................................. 165 10.1 Definição ........................................................................................................................................... 165 10.2 Conceitos Básicos sobre Relevo e sua Representação ...................................................................... 166 10.3 Construção de um Modelo Digital de Terreno .................................................................................. 169 10.4 Utilização de Modelos Digitais de Terreno ...................................................................................... 176

11 Representação Gráfica de Informação Geográfica ............................................................................................................... 191 11.1 Variáveis Gráficas ............................................................................................................................. 191 11.2 Tipos de Cartografia para Impressão ................................................................................................ 194 11.3 Representação Gráfica de Valores de Atributos ............................................................................... 195 11.4 Colocação de Texto .......................................................................................................................... 197 11.5 Visualização Tridimensional ............................................................................................................ 198

12 Generalização de Informação Geográfica ............................................................................................................................. 203 12.1 A Determinação Quantitativa de um Nível de Generalização .......................................................... 203 12.2 Generalização em Sistemas Vectoriais e em Representações Gráficas............................................ 205 12.3 Agregação de Dados em Estruturas Vectoriais ................................................................................. 213 12.4 Generalização em Sistemas Matriciais ............................................................................................. 215

13 Detecção Remota ................................................................................................................................................................... 219 13.1 Princípios de Detecção Remota ........................................................................................................ 219 13.2 Órbitas ............................................................................................................................................... 220 13.3 Sensores e Imagens ........................................................................................................................... 220 13.4 Resolução .......................................................................................................................................... 221 13.5 Programas de Satélites de Detecção Remota .................................................................................... 223 13.6 Processamento das Imagens .............................................................................................................. 225 13.7 Classificação ..................................................................................................................................... 226

14 Métodos de Posicionamento ................................................................................................................................................. 231 14.1 Sistema Global de Posicionamento ................................................................................................... 231 14.2 Fotogrametria .................................................................................................................................... 239 14.3 Método dos Mínimos Quadrados Aplicado ao Tratamento de Observações Posicionais ................. 245

15 Normalização em Informação Geográfica ............................................................................................................................ 255 15.1 O Propósito da Normalização ........................................................................................................... 255 15.2 Iniciativas de Normalização em Curso ............................................................................................. 257 15.3 Normas Nacionais e Internacionais Anteriores à ISO 19100 ........................................................... 265

16 Especificação e Produtos Geográficos .................................................................................................................................. 267 16.1 A Construção de uma Especificação ................................................................................................. 267 16.2 O Produto Geográfico ....................................................................................................................... 268 16.3 A Norma ISO 19131 no Contexto das Normas ISO 19100 .............................................................. 269 16.4 Estrutura de uma Especificação de Produto segundo a ISO 19131 .................................................. 269 16.5 A Especificação de um Produto no Contexto da Utilização ............................................................. 272 16.6 Alguns Produtos de Dados Geográficos ........................................................................................... 276

Índice IX

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17 Análise de Qualidade de Informação Geográfica ................................................................................................................ 281 17.1 Elementos de Qualidade .................................................................................................................. 281 17.2 Tipos de Análise de Qualidade ........................................................................................................ 287 17.3 Medidas para Análise de Qualidade ................................................................................................ 290 17.4 Representação Espacial de Medidas de Qualidade .......................................................................... 307 17.5 Linhas Orientadoras para Amostragem de Dados Espaciais ........................................................... 313

18 Implementação de Sistemas de Informação Geográfica ...................................................................................................... 319 18.1 Tipos de Aplicação de Sistemas de Informação Geográfica ........................................................... 319 18.2 Abordagens Típicas em SIG de Projecto ......................................................................................... 319 18.3 Abordagens Típicas em SIG de Gestão ........................................................................................... 324 18.4 Infra-estruturas de Dados Espaciais e Disponibilização de Dados .................................................. 331

19 Casos de Aplicação ................................................................................................................................................................ 335 19.1 Introdução ........................................................................................................................................ 335 19.2 Planeamento e Localização de Sistemas de Drenagem de Águas Residuais .................................. 335 19.3 Ensaio sobre o Desenho da Rede Rodoviária de Timor-Leste ........................................................ 338 19.4 Carta Escolar de Timor-Leste .......................................................................................................... 340 19.5 Estudo para a Determinação da Localização do Novo Aeroporto de Lisboa .................................. 345 19.6 Localização de Estações para uma Rede GNSS em Angola ........................................................... 345 19.7 Análise da Aptidão Cultural em Timor-Leste ................................................................................. 352 19.8 Modelação da Distribuição Potencial da Toupeira-de-água ............................................................ 353 19.9 Levantamento do Estado de Conservação da Rede Rodoviária Nacional ....................................... 354 19.10 Sistema de Informação para Rede de Distribuição de Gás .............................................................. 359 19.11 Sistema de Informação para Registo e Gestão de Processos Urbanísticos numa Câmara Municipal ........... 366

Anexo I – Operação de Bases de Dados Relacionais com SQL .............................................................................................. 369

Anexo II – Unified Modelling Language ................................................................................................................................... 373

Anexo III – Glossário de Termos ISO 19100 ......................................................................................................................... 381

Bibliografia e Referências Bibliográficas .................................................................................................................................... 395

Índice Remissivo .......................................................................................................................................................................... 401

Prefácio

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Este livro destina-se ao ensino das ciências da informação geográfica ao nível superior e de pós-graduação, podendo ainda servir como referência de conceitos básicos para profissionais e utilizadores de sistemas de informação geográfica. O seu conteúdo reflecte o corpo de conhe-cimento associado às ciências da informação geográfica, compreendendo aspectos de mode-lação geográfica, de análise espacial, de computação gráfica, de sistemas de informação, de cartografia, de posicionamento e de detecção remota.

A integração consistente desta diversidade de matérias, por oposição a uma soma de domínios científicos distintos, foi uma das principais preocupações na organização deste livro. Houve ainda a preocupação de evitar a apresentação da matéria na perspectiva redutora do instru-mento para os vários domínios de aplicação, evidenciando-se aquilo que há de específico nas ciências da informação geográfica.

Um guia pedagógico e técnico sobre esta matéria teria de equilibrar a abrangência e a pro-fundidade nestes domínios, em conjunto com a valia pedagógica. Estes três objectivos são, nalguns aspectos, inconciliáveis. Da abrangência pode resultar um texto demasiado superficial e da profundidade pode resultar um texto incompleto e desconexo. Entre estes dois aspectos foi procurado um equilíbrio, tendo sido dada prioridade à satisfação da condição de abran-gência.

A profundidade com que cada matéria foi abordada resulta principalmente da opção por, no caso de matérias já amplamente referidas em bibliografia específica, não desenvolver além do nível necessário ao domínio dos seus conceitos básicos. A síntese de matéria é também guiada pela identificação dos aspectos efectivamente importantes para a execução de trabalho neste domínio.

A componente pedagógica, além da preocupação com a estruturação dos conceitos, foi con-siderada com a apresentação de questões de revisão no final de cada capítulo e a inclusão de algumas matérias que permitem a resolução de exercícios sem recurso a programas, dados e equipamento específicos. A aprendizagem da matéria apresentada será em muito beneficiada pela experimentação, em paralelo, de um programa de operação com dados geográficos.

Ciente do risco de publicar este livro, em que a solução dada ao problema da organização e da selecção de conteúdo apresentarão sempre alguma vulnerabilidade, julgo necessário justificar que a organização da matéria resulta da experiência de docência, do trabalho de investigação e da experiência em casos de aplicação a que me dediquei durante cerca de quinze anos.

As opções para a selecção das matérias e a validação dos conceitos resultam de mais de uma centena de trabalhos realizados, de onde provém a quase totalidade das ilustrações distribuídas pelo texto, principalmente com o grupo de Geomática do ICIST.

A organização da matéria, na perspectiva pedagógica, evoluiu a partir do material utilizado na docência de disciplinas nas licenciaturas em Engenharia do Território e Engenharia do

XII Fundamentos de Informação Geográfica

Ambiente, no Mestrado em Sistemas de Informação Geográfica e em diversas acções de formação teóricas e práticas.

A revisão feita para a 5.ª Edição consiste fundamentalmente numa reestruturação e num melho-ramento da forma como algumas matérias são expostas, tendo ainda sido acrescentados itens de matéria que contribuem para que o livro fique mais completo e pedagogicamente mais adequado.

Agradeço o apoio dos meus colegas Alexandre Gonçalves, Ana Paula Falcão, Miguel Baio e Ricardo Sousa que, directa ou indirectamente, contribuíram para o desenvolvimento deste livro; à Fernanda Nery e ao Pedro Machado pela revisão atenta e pelas discussões profícuas; a todos os bolseiros de investigação que passaram pelo ICIST, alguns dos quais têm o seu trabalho citado neste livro, nomeadamente Pedro Trocado, Luís Sousa, Luís Gézero, João Paulo Leitão, Maria Grade, Dora Neto, Marco Viana, Ana Amorim, José Victor Sousa, Gonçalo Franco e Sara Ribeiro. Agradeço ainda o trabalho e o material elaborado durante o desenvolvimento das teses de mestrado da Paula Baptista, da Mónica Calçada e do Luís Luz, associadas a casos de aplicação no território de Timor-Leste.

1 Introdução Capít

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1.1 SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA E CIÊNCIA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA O conceito fundamental subjacente a toda a matéria abordada neste livro é o de informação

associada a uma posição; dessa informação diz-se que é georreferenciada ou que é

informação geográfica. O conjunto dos domínios do conhecimento envolvidos na produção

e na utilização de informação geográfica designa-se por ciência de informação geográfica.

O termo Sistema de Informação Geográfica (SIG) é utilizado para designar um sistema de

informação que contém informação georreferenciada.

O campo das ciências da informação geográfica só recentemente se foi evidenciando como

um domínio científico com autonomia, não simplesmente um instrumento e não somente

uma junção ocasional de conhecimentos de outras áreas. Na sua componente fundamental,

inclui matérias de cartografia, posicionamento, sistemas de informação e computação

gráfica. A exploração da informação pode requerer conhecimentos no domínio da

estatística, da investigação operacional, dos sistemas periciais e da teoria da decisão.

A incorporação de conceitos e a resolução de problemas específicos dos inúmeros

domínios de aplicação congregou todas estas matérias no problema geral da modelação

geográfica, acrescentando-lhe as teorias e técnicas de domínios tão díspares como a física,

a engenharia civil, o planeamento, a biologia, a economia e a demografia, entre muitos

outros.

A importância da modelação geográfica deve-se ao facto de a generalidade dos fenómenos

ser georreferenciável, o que oferece um campo de aplicação vastíssimo e diversificado para

um mesmo conjunto de componentes de modelação. Enumerar as possíveis aplicações de

Sistemas de Informação Geográfica é um esforço vão, pois todos os sistemas que

envolvam informação que possa ser georreferenciada poderão em maior ou menor grau

beneficiar de uma representação geográfica. Podem, no entanto, identificar-se cinco

grandes domínios típicos de utilização de informação geográfica:

Informação cadastral e infra-estruturas – integrando repositórios exaustivos de carac-

terísticas geográficas e suportando operações de monitorização e gestão intensivas, na

medida em que o sistema será objecto de procedimentos de gestão continuados, com

reduzida necessidade de análise espacial (por exemplo: cadastro predial; cadastro de

uma rede de abastecimento de água);

Planeamento e gestão de recursos naturais – modelando características geográficas num

sistema que suporta operações de monitorização e gestão esporádicas mas que já requer

operações de análise espacial e de suporte à decisão (por exemplo: elaboração e gestão

de um plano director municipal; estudo para a localização de escolas; gestão de flo-

resta);

2 Fundamentos de Informação Geográfica

Modelação espacial e temporal – em que a predominância é quase exclusiva às opera-

ções de análise espacial e cálculo (por exemplo: delimitação de zonas de habitat de uma

espécie; propagação de um poluente em cursos de água);

Visualização de informação geográfica – onde a representação das características geo-

gráficas é feita de forma a privilegiar as características de comunicação, abrangendo

não só os suportes analógicos, como também os diversos processos de visualização de

informação em suporte digital (por exemplo: produção de cartografia impressa;

apresentação de mapas e roteiros através da web);

Navegação – onde os requisitos operacionais de utilização influenciam decisivamente a

forma de modelação; a navegação é entendida em sentido lato como qualquer processo

de utilização da informação geográfica para apoio à movimentação e pesquisa

directamente no mundo real (por exemplo: sistemas de informação para navegação em

navios ou em automóveis).

1.2 COMPONENTES DO CONHECIMENTO DE CIÊNCIA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA A utilização de informação geográfica assenta em três vectores distintos e de importância

variável com o domínio de aplicação:

Os Conjuntos de Dados Geográficos;

A operação com dados geográficos, abrangendo métodos de análise e software;

O sistema de informação, considerando as suas componentes informática e institucional.

Relativamente aos dados, as componentes principais do conhecimento que sobre estes é

necessário são enumeradas na norma ISO 19131, abordada no capítulo 16. Nesta vertente

intervêm os sistemas de referência, as estruturas de dados e os métodos de aquisição de

informação georreferenciada.

A operação com dados geográficos pode ser abordada pela utilização de software ou pelos

métodos de processamento e análise de dados, dependendo do caso de aplicação ser mais

corrente ou mais sofisticado.

Ao nível do sistema de informação e do enquadramento institucional intervêm as abordagens

de natureza estratégica, de gestão e de concretização tecnológica. Esta vertente abrange

tudo o que é necessário para uma utilização duradoura de dados geográficos num contexto

institucional e sob exigentes requisitos funcionais.

A organização deste livro é orientada por uma perspectiva das ciências da informação

geográfica que visa cobrir estes três vectores principais com a seguinte abordagem:

Aspectos genéricos de modelação geográfica: apresentando uma síntese de desenvolvi-

mento histórico, uma panorâmica dos aspectos a considerar na realização de modelação

geográfica e as concretizações tecnológicas disponíveis para a sua implementação

(capítulos 2, 3 e 4); o nível de generalização e a qualidade de informação são abordados

em capítulos colocados fora da sequência natural (capítulos 12 e 17) porque fazem

recurso a matéria que não poderia ser abordada nos capítulos iniciais e, por outro lado,

porque também sintetizam aspectos que não são unicamente de modelação geográfica;

Introdução 3

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Aspectos teóricos basilares no que respeita à componente geométrica e topológica da

informação, referindo-se os sistemas de referência, as operações geométricas e as

relações topológicas (capítulos 5 e 6);

Aspectos de exploração e análise dos dados: com a descrição das operações básicas de

análise espacial sobre estruturas de dados vectoriais e matriciais, a interpolação espacial

e o caso específico dos Modelos Digitais de Terreno (capítulos 7, 8, 9 e 10); terminando

com a forma de utilização mais convencional, a apresentação gráfica (capítulo 11);

Aquisição de informação geográfica e posicionamento: abrangendo a detecção remota e

as técnicas de posicionamento actualmente mais comuns (capítulos 13 e 14);

Aspectos de natureza normativa e institucional (capítulos 15, 16 e 18);

Casos de aplicação como síntese do que é dito anteriormente (capítulo 19).

A relevância da matéria para cada leitor será variável consoante o seu nível de conhecimento.

Por exemplo, a um leitor que pretenda uma visão introdutória da aplicabilidade dos

sistemas de informação geográfica é recomendada a leitura dos capítulos 2, 3, 4 e 19. No

extremo oposto deste tipo de leitura está o capítulo 6, que será de interesse principalmente

para quem necessita de conhecer os princípios teóricos da operação com informação

geográfica ou que realiza desenvolvimento de aplicações.

A boa compreensão da generalidade dos restantes capítulos requer o acompanhamento por

um professor ou a existência de experiência ou conhecimento anterior que ajudem a

colocar a matéria em contexto.