Geoprocessamento em Recursos HídricosHIP 23

Walter Collischonn

Questões de organização

• Questões do horário

• Local

• Proposta

• Diversidade de alunos

Perfil da turma

• Nome• Formação• Onde trabalha?• Já trabalha com SIG?• Por que se interessou pela disciplina?• Conhecimento de inglês.• Quais são as expectativas?• Outras informações que julgar...

Proposta

• Disciplina de Geoprocessamento em Recursos Hídricos.• Liberdade para utilizar qualquer software.• Experiência pessoal com Idrisi = algumas aulas com

Idrisi (Walter).• Experiência pessoal com o SPRING (Alfonso)• Ênfase em desenvolvimento de ferramentas próprias

(FORTRAN, VBA, MATLAB, outras linguagens).• Experiências com software gratuito (TAS)• Avaliação: prova e trabalho• Trabalhos de alto nível = formato de artigos.

Súmula original da disciplina

• Dados georeferenciados: princípios básicos. • Sistema de informações geográficas (SIG): princípios

básicos, estrutura, principais sistemas em uso, estrutura de dados para um SIG, pontos, linhas, arcos, nós; organização de dados, formatos raster e vetorial.

• Modelo numérico do terreno (MNT) e suas aplicações em Recursos Hídricos: princípios básicos, métodos de interpolação, dados derivados de um MNT.

• Métodos de modelagem espacial, integração com dados de sensoriamento remoto, cruzamento de dados.

• Aplicações de geoprocessamento a Recursos Hídricos.

O que é Geoprocessamento?

• Um interessante caso histórico.

• Definições normalmente adotadas.

Surto de cólera em Londres

Surto de cólera em Londres

• Poços

Surto de cólera em Londres

• Poços

• Vítimas

O culpado

• A alavanca, ou braço para bombear água manualmente do poço foi retirada para impedir a população de consumir água.

GEOPROCESSAMENTO

Conjunto de ferramentas usadas para Conjunto de ferramentas usadas para coleta ecoleta e tratamento tratamento de de informações espaciais,informações espaciais, geração de geração de saídassaídas na forma de mapas, na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc;relatórios, arquivos digitais, etc;

Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.manipulação e análise.

GEOPROCESSAMENTO X SIGs

Geoprocessamento representa qualquer tipo de Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente).muito mais abrangente).

Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.espaciais e modelagens de superfícies.

SIG’s - DEFINIÇÕES

BurroughBurrough ““Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar,

recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real”real”

CowenCowen““Um sistema de suporte à decisão que integra dados Um sistema de suporte à decisão que integra dados

referenciados espacialmente num ambiente de respostas a referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas”problemas”

SmithSmith““Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual

opera um conjunto de procedimentos para responder a opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”consultas sobre entidades espaciais”

SIG’s - DEFINIÇÕES

OppenshawOppenshaw““Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o

acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”.estudo”.

GoodchildGoodchild““O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica

está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “

DangerramondDangerramond““Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a

disponível de uma forma que ninguém teve acesso disponível de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”

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

Por que utilizar cartografia computadorizada?

1. Fazer mapas mais rapidamente.

2. Fazer mapas mais baratos.

3. Fazer mapas para usos específicos.

4. Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de pessoal especializado??

5. Permitir experimentos com representações espaciais diversas dos mesmos dados.

6. Facilitar atualização de mapas.

7. Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística e mapas.

8. Minimizar a necessidade de mapas em papel.

9. Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D, mapas estereoscópicos).

Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell

ESTRUTURA DE UM SIG

Interface

Entrada e Integr.Dados

VisualizaçãoPlotagem

Gerência Dados Espaciais

Consulta e Análise Espacial

BANCO DE DADOSBANCO DE DADOSGEOGRÁFICOGEOGRÁFICO

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.

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.

GEOPROCESSAMENTO - SIGs - SPRING

SPRINGSPRING é um é um SIG SIG que inclui ferramentas de um que inclui ferramentas de um sistema de Processamento Digital de Imagens (sistema de Processamento Digital de Imagens (PDIPDI) ) de sensores remotos.de sensores remotos.

O SPRING integra na mesma base:O SPRING integra na mesma base: DADOS CARTOGRÁFICOSDADOS CARTOGRÁFICOS DADOS DE CENSO DADOS DE CENSO CADASTRO URBANO E RURALCADASTRO URBANO E RURAL IMAGENS DE SATÉLITEIMAGENS DE SATÉLITE REDES REDES MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENOMODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO

Algoritmos p/ Algoritmos p/ manipularmanipular, , analisaranalisar, , consultarconsultar, , recuperarrecuperar, , visualizarvisualizar e e plotarplotar o conteúdo da base de o conteúdo da base de dados geocodificadosdados geocodificados

O QUE É UM MAPA ?

Mapa:Mapa: modelos simplificados da realidademodelos simplificados da realidade– representa, normalmente em escala, uma seleção de representa, normalmente em escala, uma seleção de

entidades abstratas sobre ou relacionadas com a entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).superfície da Terra (ICA).

PRODUÇÃO DE UM MAPA

Definição de escala e projeção cartográficaDefinição de escala e projeção cartográfica

Seleção dos elementos do mundoSeleção dos elementos do mundo

Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)

Simplificação de elementos gráficosSimplificação de elementos gráficos

Exagero de elementos importantesExagero de elementos importantes

Simbologia para apresentar dadosSimbologia para apresentar dados

TIPOS DE MAPAS EM GEOPROCESSAMENTO

Características dos mapas: Características dos mapas: diversidade de fontes diversidade de fontes geradorasgeradoras e de e de formatos apresentados.formatos apresentados.

O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de

dados;dados; – Mapas Temáticos: Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso do conceitos qualitativos (uso do

solo, clima)solo, clima);;– ImagensImagens;– Mapas NuméricosMapas Numéricos ((representação de superfícies)representação de superfícies)– Mapas Cadastrais e RedesMapas Cadastrais e Redes ((localização de objetos localização de objetos

do mundo - e.g. lotes)do mundo - e.g. lotes)

Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos

• Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica

• Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de processos.

• Uso dos recursos hídricos – população

• População se distribui no espaço de forma heterogênea e dinâmica.

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.

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

Mais livros

Bibliografia - Manuais

• Tutorial do Idrisi• Tutorial e Help do SPRING• Manuais de outros programas

Bibliografia - Periódicos

• Transactions in GIS• 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...)

Bibliografia - Web• Página web Geoprocessamento IPH• Tese de doutorado de Michael de Smith - http://www.desmith.

com/MJdS/thesis.htm• http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj.html• Distance transforms as a new tool in spatial analysis, urban planning, and

GIS (Environment and Planning B: Planning and Design 2004, volume 31, pages 85-104)

• LEITÃO, J.P.; MATOS, J.S.; GONÇALVES, A.; MATOS, J.L. (2005): "Contribution of Geographic Information Systems and Location Models to Planning of Wastewater Systems", Water Science and Technology, Vol. 52, nº 3, 1-8.

• Bancos de dados gratuitos na internet:– Imagens de satélite– Modelos digitais de elevação– Produtos derivados (Hydrosheds)– Softwares free (TAS, outros)

Tópicos da disciplina• Fundamentos de cartografia • Técnicas de representação em mapas: Vetor/Raster• Fontes de informação para Geoprocessamento

• Digitalização• Sensoriamento remoto – Classificação de imagens de satélite• GPS• Outras informações• Onde encontrar dados

• Georeferenciamento• Transformações vetor – raster• Algoritmo point in polygon• Interpoladores espaciais• Ferramentas de análise

• Álgebra de mapas• Operadores de distância – distancia, buffers• Operadores de contexto – filtros, direção de fluxo, declividade, contexto, variabilidade local• Combinações de ferramentas

• Modelos numéricos de terreno, modelos digitais de terreno, modelos digitais de elevação• Aplicações às bacias hidrográficas• Outros parâmetros derivados do MDE: declividade; orientação da vertente; mapas sombreados

• Conhecer ArcGIS / Conhecer Idrisi / Conhecer SPRING• Um pouco de FORTRAN• Programa básico para leitura de arquivo, e visualização de imagens em FORTRAN.• Projeção de coordenadas.• Mosaicos de imagens

Questões práticas

• Acesso a computador?

• Acesso a algum software?

Avaliação

• A avaliação será através de uma prova e de um trabalho individual.

• Idéias de cada aluno• Sugestões do professor• Mais acadêmicos• Mais cotidianos

• Formato de artigo (ver revista da ABRH)

• Prazo de entrega: a combinar

Temas para trabalhos• Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging;

correlação cruzada; outros interpoladores.• Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo.• Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos

irregulares.• Comparação de qualidade do MNT do SRTM.• Construção de modelos Geoidais regionais• Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada.• Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de

proteção ribeirinha.• Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório

linear simples.• Hidrograma unitário geomorfológico.• Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador.• Rede de drenagem usando TIN.• Discretização de um modelo hidrológico distribuído em sub-bacias.• Formas inovadoras de apresentação de informações quali-quantitativas em

mapas

Mais temas para trabalhos• Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; outros interpoladores.• Dividir uma área agrícola em lotes com características semelhantes de: solo, acesso água; acesso à estrada;

cobertura florestal; áreas propícias para plantio; etc.• Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo. • Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares. • Comparação de qualidade do MNT do SRTM. • Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada. • Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha. • Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples. • Hidrograma unitário geomorfológico. • Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador. • Rede de drenagem usando TIN. • Rede de mínimo custo (por exemplo estradas para extrair madeira de uma floresta. • Como combinar teoria dos jogos e SIG (problema do trânsito) • Caminhos de mínimo custo em ambiente dinâmico ou probabilístico (como melhor rota para um veleiro que está

sujeito à direção do vento e da corrente, que podem variar durante o tempo de viagem) • Problema da locação de uma fábrica de celulose, considerando: 1) ponto próximo à água (com vazão suficiente

para abastecer); 2) porto fluvial; 3) transporte marítimo, fluvial, terrestre e qualidade de estradas; 4) Área necessária para produzir as toneladas por ano que são necessárias para justificar a fábrica; 5) Tipos de solos x produtividade por hectare; 6) Chuva x produtividade por hectare; 7) Rede viária existente e por construir.

• Problema das transformações de distância em ambiente raster: tese de De Smith.• Buscar exemplos em http://www.ltid.inpe.br/sbsr2005/biblioteca/• Continuar trabalhos do semestre anterior.• Remoção de depressões usando as idéias de bacias hidrográficas das depressões (elevar depressões até o

ponto mais baixo do divisor de águas) (paper de Arge et al. 2003)

Sugestão de trabalho: Hidrograma Unitário Geomorfológico baseado nas ordens de Strahler e no modelo de Nash de reservatórios lineares (Rosso, R., 1984 Nash model relation to Horton order ratios. Water Resources Research vol. 20 pp. 914-920.

Sugestão de trabalho: interpolação co-Kriging de temperaturas no RS com base em dados do Atlas da Fepagro e de MNT.

Sugestões de trabalhos MINTER

• Comparar métodos e programas para preenchimento de depressões e definição de direções de fluxo (continuar trabalho Yuto).

• Identificar área acumulada para a qual inicia a rede de drenagem em várias regiões de TO usando Google e SIG.

• Comparar Índice de saturação por diferentes métodos.

Sugestões de trabalhos 2008

Um trabalho interessante pode ser verificar a validade da relação área volume encontrada nos açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em locais em que ainda não existem açudes. Idéia do Rodrigo.