Técnicas utilizadas em sistemas de informação geográfica
Criação de dados
As modernas tecnologias GIS trabalham com informação digital, para a qual existem vários métodos utilizados na criação de dados digitais. O método mais utilizado é a digitalização, onde um mapa impresso ou informações retiradas em campo são transferidos para um meio digital por meio de um programa de Desenho Assistido por Computador (DAO ou CAD) com capacidade de georreferenciamento.
Dada a ampla disponibilidade de imagens ortorretificadas (satélite e aéreas), a digitalização desta forma está se tornando a principal fonte de extração de dados geográficos. Esta forma de digitalização envolve a busca de dados geográficos diretamente em imagens aéreas, em vez do método tradicional de localização de características geográficas em uma placa digitalizadora.
A representação dos dados
Os dados GIS representam objetos do mundo real (estradas, uso do solo, altitudes). Os objetos do mundo real podem ser divididos em duas abstrações: objetos discretos (uma casa) e objetos contínuos (quantidade de chuva caída, uma elevação). Existem duas maneiras de armazenar dados em um GIS: raster e vetorial.
GIS que focam no tratamento de dados em formato vetorial são mais populares no mercado. Porém, SIG raster são amplamente utilizados em estudos que requerem a geração de camadas contínuas, necessárias em fenômenos não discretos; também em estudos ambientais onde não é necessária uma precisão espacial excessiva (poluição atmosférica, distribuição de temperatura, localização de espécies marinhas, análises geológicas, etc.).
Um tipo de dados raster é essencialmente qualquer tipo de imagem digital representada em malhas. O modelo GIS raster ou grade concentra-se nas propriedades do espaço e não na precisão da localização. Divide o espaço em células regulares "Célula (geometria)"), onde cada célula representa um único valor. É um modelo de dados muito adequado para a representação de variáveis contínuas no espaço.
Qualquer pessoa familiarizada com fotografia digital reconhece o pixel como a menor unidade de informação de uma imagem. Uma combinação desses pixels criará uma imagem, ao contrário do uso comum de gráficos vetoriais escaláveis que são a base do modelo vetorial. Enquanto uma imagem digital se refere à saída como uma representação da realidade, em uma fotografia ou arte transferida para o computador, o tipo de dados raster refletirá uma abstração da realidade. Fotografias aéreas são uma forma de dados raster comumente usados para um propósito: exibir uma imagem detalhada de um mapa base sobre o qual a digitalização será realizada. Outros conjuntos de dados raster podem conter informações sobre elevações do terreno (um Modelo Digital de Terreno), ou a reflexão "Reflexão (física)") da luz de um determinado comprimento de onda (por exemplo, aqueles obtidos pelo satélite LandSat), entre outros.
Os dados raster são compostos de linhas e colunas de células, cada célula armazena um valor exclusivo. Os dados raster podem ser imagens (imagens raster), com um valor de cor em cada célula (ou pixel). Outros valores registrados para cada célula podem ser um valor discreto, como uso do solo, valores contínuos, como temperaturas, ou um valor nulo se nenhum dado estiver disponível. Embora um raster de célula armazene um único valor, as células podem ser expandidas usando as bandas do raster para representar cores RGB (vermelho, verde, azul) ou uma tabela de atributos estendida com uma linha para cada valor de célula exclusivo. A resolução do conjunto de dados raster é a largura da célula em unidades terrestres.
Os dados raster são armazenados em diversos formatos, desde um arquivo padrão baseado na estrutura TIFF, JPEG, etc. até Binary Large Objects (BLOBs), dados armazenados diretamente no Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados. O armazenamento de banco de dados, quando indexado, geralmente permite a recuperação rápida de dados rasterizados, mas ao custo de exigir o armazenamento de milhões de registros com tamanho de memória significativo.
Num modelo raster, quanto maiores forem as dimensões das células, menor será a precisão ou detalhe (resolução) da representação do espaço geográfico.
Num SIG, as características geográficas são frequentemente expressas como vetores, mantendo as características geométricas das figuras.
Nos dados vetoriais, o interesse das representações centra-se na precisão da localização dos elementos geográficos no espaço e onde os fenómenos a representar são discretos, ou seja, com limites definidos. Cada uma dessas geometrias está vinculada a uma linha em um banco de dados que descreve seus atributos. Por exemplo, um banco de dados que descreve lagos pode conter dados sobre a batimetria do lago, a qualidade da água ou o nível de poluição. Essas informações podem ser usadas para criar um mapa que descreva um determinado atributo contido no banco de dados. Os lagos podem ter uma variedade de cores dependendo do nível de poluição. Além disso, as diferentes geometrias dos elementos também podem ser comparadas. Assim, por exemplo, o SIG pode ser utilizado para identificar aqueles poços (geometria pontual) que estão a cerca de 2 quilômetros de um lago (geometria poligonal) e que apresentam alto nível de contaminação.
Os elementos vetoriais podem ser criados respeitando a integridade territorial através da aplicação de regras topológicas como “os polígonos não devem se sobrepor”. Dados vetoriais podem ser usados para representar variações contínuas de fenômenos. Linhas de contorno e redes de triângulos irregulares (TINs) são usadas para representar a altitude ou outros valores em constante evolução. TINs são registros de valores em um ponto localizado, que são conectados por linhas para formar uma malha irregular de triângulos. As faces dos triângulos representam, por exemplo, a superfície do terreno.
Para modelar digitalmente entidades do mundo real, são utilizados três elementos geométricos: o ponto "Ponto (geometria)"), a linha e o polígono.[17].
Vantagens e desvantagens dos modelos raster e vetoriais
Existem vantagens e desvantagens ao usar um modelo de dados raster ou vetorial para representar a realidade.
Dados não espaciais
Os dados não espaciais também podem ser armazenados juntamente com os dados espaciais, aqueles representados pelas coordenadas de uma geometria vetorial ou pela posição de uma célula raster. Nos dados vetoriais, os dados adicionais contêm atributos da entidade geográfica. Por exemplo, um polígono de inventário florestal também pode ter um valor que serve como identificador e informação sobre espécies de árvores. Em dados raster o valor da célula pode armazenar informações de atributos, mas também pode ser usado como identificador referente aos registros de uma tabela.
Capturando os dados
Capturar dados e inserir informações no sistema consome a maior parte do tempo dos profissionais de GIS. Há uma grande variedade de métodos usados para inserir dados em um GIS armazenado em formato digital.
Dados impressos em papel ou mapas em filme PET podem ser digitalizados ou escaneados para produzir dados digitais.
Com a digitalização da cartografia em suporte analógico, os dados vetoriais são produzidos através de traços de pontos, linhas e limites poligonais. Esse trabalho pode ser realizado manualmente ou por meio de programas de vetorização que automatizam o trabalho em um mapa digitalizado. Porém, neste último caso, será sempre necessária a revisão e edição manual, dependendo do nível de qualidade que se pretende obter.
Os dados obtidos a partir de medições topográficas podem ser inseridos diretamente em um GIS através de instrumentos digitais de captura de dados usando uma técnica chamada geometria analítica. Além disso, as coordenadas de posição obtidas através de um Sistema de Posicionamento Global (GPS) também podem ser inseridas diretamente em um GIS.
Sensores remotos também desempenham um papel importante na coleta de dados. São sensores, como câmeras, scanners ou LIDAR acoplados a plataformas móveis, como aviões ou satélites.
Atualmente, a maior parte dos dados digitais provém da interpretação de fotografias aéreas. Para isso, são utilizadas estações de trabalho que digitalizam diretamente elementos geográficos por meio de pares estereoscópicos de fotografias digitais.
Esses sistemas permitem a captura de dados em duas e três dimensões, com elevações medidas diretamente a partir de um par estereoscópico de acordo com os princípios da fotogrametria.
A detecção remota por satélite fornece outra importante fonte de dados espaciais. Neste caso, os satélites utilizam diferentes sensores para medir a refletância de partes do espectro eletromagnético, ou ondas de rádio enviadas por um sensor ativo, como o radar. O sensoriamento remoto coleta dados raster que podem ser processados usando diferentes bandas para determinar classes e objetos de interesse, como diferentes coberturas de solo.
Quando os dados são capturados, o usuário deve considerar se eles devem ser capturados com exatidão relativa ou precisão absoluta. Esta decisão é importante porque não só influencia a interpretação da informação, mas também o custo da sua captura.
Da mesma forma, o Mapeamento Móvel, também conhecido como mapeamento móvel, é uma técnica que permite a recolha de nuvens de pontos, imagens 360° geolocalizadas e dados geográficos, tudo através de tecnologias incorporadas num veículo ou plataforma móvel para percorrer e inventariar os diferentes elementos que compõem os ambientes urbanos (gestão de iluminação pública, saneamento e água potável, sinalização urbana, etc.).
Além de capturar e inserir dados espaciais, os dados de atributos também são inseridos em um GIS.
Conversão de dados vetoriais raster
O GIS pode realizar a reestruturação dos dados para transformá-los em diferentes formatos. Por exemplo, é possível converter uma imagem de satélite em um mapa de elementos vetoriais gerando linhas ao redor de células com a mesma classificação, determinando sua relação espacial, como proximidade ou inclusão.
A vetorização não assistida de imagens raster usando algoritmos avançados é uma técnica desenvolvida desde o final da década de 1960. Para isso, utiliza-se a melhoria do contraste, imagens em cores falsas, bem como o desenho de filtros através da implementação de transformadas bidimensionais de Fourier.
O processo inverso de conversão de dados vetoriais em uma estrutura de dados baseada em uma matriz raster é chamado de rasterização.
Como os dados digitais são coletados e armazenados em formatos vetoriais e raster, um SIG deve ser capaz de converter dados geográficos de uma estrutura de armazenamento para outra.
Projeções, sistemas de coordenadas e reprojeções
Antes de analisar os dados no SIG, a cartografia deve estar toda nos mesmos sistemas de projeção e coordenadas. Para isso, muitas vezes é necessário reprojetar as camadas de informação antes de integrá-las ao sistema de informação geográfica.
A Terra pode ser representada cartograficamente por vários modelos matemáticos, cada um dos quais pode fornecer um conjunto diferente de coordenadas (por exemplo, latitude, longitude "Longitude (cartografia)", altitude) para qualquer ponto da sua superfície. O modelo mais simples é assumir que a Terra é uma esfera perfeita. À medida que mais medições do planeta foram acumuladas, os modelos do geóide tornaram-se mais sofisticados e precisos. Na verdade, alguns deles são aplicados a diferentes regiões da Terra para proporcionar maior precisão (por exemplo, o Sistema Europeu de Referência Terrestre 1989 - ETRS89 - funciona bem na Europa, mas não na América do Norte).
A projeção é um componente fundamental na criação de um mapa. Uma projeção matemática é a forma de transferir informações de um modelo da Terra, que representa uma superfície curva em três dimensões, para outro modelo bidimensional, como papel ou tela de computador. Para isso, utilizam-se diferentes projeções cartográficas dependendo do tipo de mapa que se deseja criar, pois existem certas projeções que se adaptam melhor a alguns usos específicos do que outros. Por exemplo, uma projeção que represente com precisão a forma dos continentes distorce os seus tamanhos relativos.
Como grande parte da informação num SIG provém da cartografia existente, um sistema de informação geográfica utiliza o poder de processamento do computador para transformar a informação digital, obtida de fontes com diferentes projeções ou diferentes sistemas de coordenadas, em um sistema comum de projeção e coordenadas. No caso de imagens (ortofotos, imagens de satélite, etc.) esse processo é denominado retificação.
Análise espacial usando GIS
Dada a vasta gama de técnicas de análise espacial que foram desenvolvidas ao longo do último meio século, qualquer resumo ou revisão só pode cobrir o tópico com uma profundidade limitada. Este é um campo em rápida mudança e os pacotes de software GIS incluem cada vez mais ferramentas de análise, seja em versões padrão ou como extensões opcionais. Em muitos casos, essas ferramentas são fornecidas pelos fornecedores de software originais, enquanto em outros casos as implementações destas novas funcionalidades foram desenvolvidas e fornecidas por terceiros. Além disso, muitos produtos oferecem kits de desenvolvimento de software (SDKs), linguagens de programação, linguagens de script, etc. para o desenvolvimento de ferramentas de análise próprias ou outras funções.
Um GIS pode reconhecer e analisar as relações espaciais que existem nas informações geográficas armazenadas. Essas relações topológicas permitem modelagem e análise espacial complexa. Assim, por exemplo, o SIG pode discernir a parcela ou parcelas cadastrais que são atravessadas por uma linha de alta tensão, ou saber qual o grupo de linhas que formam uma determinada estrada.
Em suma, podemos dizer que no domínio dos sistemas de informação geográfica, a topologia é entendida como as relações espaciais entre os diferentes elementos gráficos (topologia de nó/ponto, topologia de rede/arco/linha, topologia poligonal) e a sua posição no mapa (proximidade, inclusão, conectividade e vizinhança). Estas relações, que para os humanos podem ser óbvias a olho nu, devem ser estabelecidas pelo software utilizando uma linguagem e regras de geometria matemática.
Para realizar análises nas quais é necessária consistência topológica dos elementos da base de dados, normalmente é necessário realizar previamente a validação e correção topológica da informação gráfica. Para isso, existem ferramentas GIS que facilitam a retificação de erros comuns de forma automática ou semiautomática.
Redes
Um SIG destinado ao cálculo de rotas ótimas para serviços de emergência é capaz de determinar o caminho mais curto entre dois pontos levando em consideração tanto as direções quanto os sentidos de circulação e direções proibidas, etc., evitando áreas intransitáveis. Um SIG para gestão de uma rede de abastecimento de água seria capaz de determinar, por exemplo, quantos assinantes seriam afetados pela interrupção do serviço num determinado ponto da rede.
Um sistema de informação geográfica pode simular fluxos ao longo de uma rede linear. Valores como inclinação, limite de velocidade, níveis de serviço, etc. podem ser incorporados ao modelo para obter maior precisão. O uso de GIS para modelagem de redes é comumente usado no planejamento de transportes, planejamento hidrológico ou gerenciamento de infraestrutura linear.
Sobreposição de mapa
A combinação de vários conjuntos de dados espaciais (pontos, linhas ou polígonos) pode criar outro novo conjunto de dados vetoriais. Visualmente seria semelhante a empilhar vários mapas da mesma região. Essas sobreposições são semelhantes às sobreposições matemáticas do diagrama de Venn. Uma junção de camadas de sobreposição combina as feições geográficas e tabelas de atributos de todas elas em uma nova camada. No caso de uma intersecção de camadas, isso definiria a área em que ambas se sobrepõem, e o resultado mantém o conjunto de atributos para cada uma das regiões. No caso de uma superposição de diferenças simétricas, é definida uma área resultante que inclui a superfície total de ambas as camadas, exceto a zona de intersecção.
Na análise de dados raster, a superposição do conjunto de dados é realizada através de um processo conhecido como álgebra de mapas), através da aplicação de métodos matemáticos simples que permitem combinar os valores de cada matriz raster. Na álgebra de mapas é possível ponderar certas coberturas que atribuem o grau de importância de diversos fatores em um fenômeno geográfico.
Cartografia automatizada
Tanto a cartografia digital quanto os sistemas de informação geográfica codificam relações espaciais em representações formais estruturadas. Os SIG são utilizados na criação de cartografia digital como ferramentas que permitem a realização de um processo automatizado ou semiautomático de elaboração de mapas denominado cartografia automatizada.
Na prática este seria um subconjunto do SIG que equivaleria à fase final de composição do mapa, dado que na maioria dos casos nem todos os softwares de sistemas de informação geográfica possuem esta funcionalidade.
O produto cartográfico final resultante pode estar nos formatos digital e impresso. O uso combinado em certos SIG de poderosas técnicas de análise espacial, juntamente com uma representação cartográfica profissional dos dados, significa que mapas de alta qualidade podem ser criados em um curto período de tempo. A principal dificuldade da cartografia automatizada é utilizar um único conjunto de dados para produzir diversos produtos de acordo com diferentes tipos de escalas "Escala (cartografia)"), técnica conhecida como generalização.
Geoestatística
A geoestatística analisa padrões espaciais para obter previsões a partir de dados espaciais específicos. É uma forma de visualizar as propriedades estatísticas dos dados espaciais. Ao contrário das aplicações estatísticas comuns, a geoestatística utiliza a teoria dos grafos e matrizes algébricas para reduzir o número de parâmetros nos dados. Depois disso, seria realizada em segundo lugar a análise dos dados associados à entidade geográfica.
Quando os fenómenos são medidos, os métodos de observação ditam a precisão de qualquer análise subsequente. Devido à natureza dos dados (por exemplo, padrões de tráfego num ambiente urbano, padrões climáticos no oceano, etc.), o grau de precisão constante ou dinâmico é sempre perdido na medição. Esta perda de precisão é determinada pela escala e distribuição dos dados recolhidos. O SIG possui ferramentas que auxiliam na realização dessas análises, com destaque para a geração de modelos de interpolação espacial.
Geocodificação
Geocodificação é o processo de atribuição de coordenadas geográficas (latitude-longitude) a pontos do mapa (endereços, pontos de interesse, etc.). Um dos usos mais comuns é o georreferenciamento de endereços postais. Isto requer uma cartografia base para referenciar os códigos geográficos. Esta camada base pode ser, por exemplo, um gráfico de eixos de ruas com nomes de ruas e números de polícia. Os endereços específicos que se deseja georreferenciar no mapa, que geralmente vêm de tabelas tabuladas, são posicionados por interpolação ou estimativa. O GIS então localiza o ponto na camada dos eixos da rua que está mais próximo da realidade de acordo com os algoritmos de geocodificação que utiliza.
A geocodificação também pode ser feita com dados reais mais precisos (por exemplo, mapeamento cadastral). Neste caso, o resultado da codificação geográfica será mais conforme ao realizado, prevalecendo sobre o método de interpolação.
No caso da geocodificação reversa o processo seria o contrário. Um endereço estimado com seu número de portal seria atribuído a certas coordenadas x,y. Por exemplo, um usuário poderia clicar em “Clique (computação)”) em uma camada que representa os eixos viários de uma cidade e obteria informações sobre o endereço postal com o número de polícia de um prédio. Este número de portal é calculado de forma estimada pelo SIG através da interpolação de números já orçados. Se o usuário clicar no ponto médio de um segmento que começa no portal 1 e termina em 100, o valor retornado para o local selecionado será próximo de 50. Lembre-se que a geocodificação reversa não retorna endereços reais, mas apenas estimativas do que deveria existir com base em dados já conhecidos.