Geoprocessamento Aplicado às Ciências Sociais:

Fundamentos e Prática com o Software TerraView

I Workshop de Metodologia em Ciência PolíticaUFSCar, 14 e 15 de abril de 2014

Flávia Feitosaflavia.feitosa@ufabc.edu.br

PARTE IFundamentos

Conceitos: Geoprocessamento e Sistema de Informações Geográficas (SIG)

O problema da representação computacional do espaço

Tipos de dados espaciais Estruturas de dados espaciais

Quase tudo que acontece, acontece em algum lugar…

A importância do “ONDE?”

O ESPAÇO como DIMENSÃO ANALÍTICA

Um Exemplo Clássico…

Mapa da Cólera, Londres, 1854, Dr. John Snow

Epidemia de Cólera

Identificação de Clusters, mortes concentradas em algumas áreas da cidade

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Snow-cholera-map.jpg

O Espaço como Dimensão Analítica

“On proceeding to the spot, I found that nearly all the deaths had taken place within a short distance of the pump. There were only ten deaths in houses situated decidedly nearer to another street pump. In five of these cases the families of the deceased persons informed me that they always sent to the pump in Broad Street, as they preferred the water to that of the pump which was nearer. In three other cases, the deceased were children who went to school near the pump in Broad Street. Two of them were known to drink the water; and the parents of the third think it probable that it did so.” John Snow, M.D. 18 Sackville Street, September, 1854

Identificou o processo de ocorrência

(Relação)

http://www.csiss.org/classics/content/8

Tecnologias da Informação Geográfica

Outras perspectivas e oportunidades de conhecimento

Novas metodologias de análise e dados que permitem vislumbrar o que antes era invisível Novas interpretações sobre a mesma realidade

O Espaço como Dimensão Analítica

Um conjunto de métodos, técnicas e metodologias para o

tratamento da informação geográfica

Geoprocessamento

Termo Amplo!

Engloba tecnologias de COLETA, ARMAZENAMENTO, TRATAMENTO E ANÁLISE, INTEGRAÇÃOde informações espaciais.

Geoprocessamento

Cartografia DigitalSensoriamento Remoto

Fotogrametria

TopografiaGPS Dados alfanuméricos

Coleta

ArmazenamentoBANCO DE DADOS GEOGRÁFICO

Tratamento e Análise

Modelagem de dadosGeoestatística

Álgebra de Mapas

Análise de Redes

Análise Topológica

Reclassificação

Integração

Sistemas de Informação Geográfica – SIGGeographical Information Systems - GIS

Sistemas Computacionais de Coleta, Armazenamento, Manipulação e Saída de Dados Geográficos

Anatomia de um SIG

Software

Hardware

Dados

Pessoas

Procedimentos

Rede

Longley , Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

Softwares

ArcGIS GRASS

Quantum GIS

TerraView

SPRING

Comercial

Livre e Open Source

Livre e Open Source

Slide: Karine Ferreira

Anatomia de um SIG

HardwareConjunto de equipamentos necessários para que o software possa desempenhar suas funções. É o componente físico do sistema, que inclui computadores e periféricos como unidades de armazenamento, impressoras, plotter, scanner, etc.

Longley , Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

Anatomia de um SIG

DadosMaterial bruto que alimenta o sistema, permitindo gerar informação. Podem ser originários de diversas fontes.

Longley , Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

Anatomia de um SIG

PessoasInclui profissionais qualificados, com capacidade para projetar, programar e/ou manter um SIG com dados, realizar análises e interpretar os resultados.

Requer treinamento e experiência em diversos campos do conhecimento.

Longley , Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

Anatomia de um SIG

ProcedimentosTécnicas operacionais adotadas pelos usuários. Estão diretamente relacionados ao conhecimento e experiência do usuário, que, a partir de um objetivo definido, submete os dados a um tratamento específico para obter os resultados desejados.

Grande influência na qualidade dos resultados!!!

Longley , Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

Anatomia de um SIG

RedeAumento progressivo de importância.

SIG e Internet tem sido fortemente integrados. A tecnologia da Internet está aumentando o uso e a capacidade de equipamentos portáteis em conjunção da rede sem fio.

Longley , Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

Geoprocessamento & SIGEvolução a partir da convergência entre

diferentes disciplinas que têm a localização geográfica como uma questão importante a

ser observada em seus estudos.

TECNOLOGIA FRONTEIRIÇAEspaço (computacionalmente representado)

como linguagem comum

Como representar o espaço geográfico no computador?

REPRESENTAÇÃO = VISÃO REDUZIDA

NOSSO DESAFIOEscolher representações computacionais

mais adequadas para capturar a semântica de nosso domínio de aplicação

O mundo pode ser modelado de muitas formas diferentes !

Como a realidade geográfica pode ser modelada

(abstraída ou simplificada) em SIG?

Níveis de abstração Mundo Real (Conceitos): lote, tipo de solos Conceitual: campos contínuos e objetos discretos Representação: Estrutura de dados - matrizes, vetores Implementação: código em linguagem de computador

UniversoMundo Real

UniversoConceitual

UniversoRepresentação

UniversoImplementação

Processo de Representação Computacional

O Que Representar? Aproximações de entidades realmente

existentes (visíveis). Exemplos: edificações, ruas

Conceitos abstratos (invisíveis): exclusão/inclusão social, violência, pobreza/riqueza, desigualdade

MUNDO REAL

Níveis de abstração Mundo Real (Conceitos): lote, tipo de solos Conceitual: campos contínuos e objetos discretos Representação: Estrutura de dados - matrizes, vetores Implementação: código em linguagem de computador

UniversoMundo Real

UniversoConceitual

UniversoRepresentação

UniversoImplementação

Processo de Representação Computacional

Objetos vs. Campos (Worboys,

1995)

Objetos Discretos: espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis

Campos Contínuos: espaço geográfico como uma superfície contínua

UNIVERSO CONCEITUAL

Campos Contínuosgeo-campos, superfícies, distribuições, fields, coverage

Espaço geográfico como uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos observados.

Para cada ponto da região, temos um valor distinto.

ALTITUDE

Objetos DiscretosEspaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis, com limites bem definidos

Fonte: http://www.vitruvius.com.br/revistas/read/arquitextos/05.059/479

Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) dos Municípios do Estado de

São Paulo

Cadastro Urbano: Lotes

Marcelo Nery (2006). Gestão Urbana: Sistemas de Informação Geográfica e o Estudo da Criminalidade no Município de São Paulo

Homicídios dolosos, segundo local de

ocorrência do crime.

Fonte: SSP (2002).

PONTOS (Eventos) SUPERFÍCIE POLÍGONOS (Taxa por setor censitário)

Campos ou Objetos? Criminalidade em São Paulo

Níveis de abstração Mundo Real (Conceitos): lote, tipo de solos Conceitual: campos contínuos e objetos discretos Representação: Estrutura de dados - matrizes, vetores Implementação: código em linguagem de computador

UniversoMundo Real

UniversoConceitual

UniversoRepresentação

UniversoImplementação

Processo de Representação Computacional

Vetorial & MatricialElementos representados de forma mais precisa

Ponto

Linha

Polígono

Espaço subdividido em células (ou pixels)

UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

http://gis.sbcounty.gov/images/elevation_map.jpg

UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

Objetos Discretos Vetor ???

Campos Contínuos Matriz/Raster ???

UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

NEM SEMPRE!

Espaço subdividido em células (ou pixels) Células são os elementos de uma matriz sobre a qual se

constrói a feição a ser representada Cada célula: um ou mais valores Área que cada célula representa: Resolução Espacial Mapa esquerdo com resolução 4X menor

Representação Matricial

célula

Extensão

Resolução

Fonte: Mohamed Yagoub

Estrutura de uma Matriz

Fonte: Mohamed Yagoub

Célula

Qualidades (temático): “Alto, baixo”, tipo de solo

Quantidades (numérico): altitude, declividade

Estrutura de uma Matriz

IMAGEM Elemento de

imagem (“pixel”) proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida por área da superfície terrestre

Representação Matricial

Representação Matricial

Conversão Vetorial Matricial

Fonte: Mohamed Yagoub

Fonte: Mohamed Yagoub

Representação Matricial

A GA

A A G

A A G

A GG

A A G

A G G

A GB

A B G

B B G

Água domina Maioria Bordas

Fonte: Mohamed Yagoub

O Problema da Mistura das Células

Forma mais precisa de representar feições geográficas Entidades representadas através de três formas básicas: ponto,

linha ou polígono

Representação Vetorial

Estruturas de Dados vetoriais

Polígono: começa e termina num mesmo nó

Arcos e Nós

Linha: começa em um nó e termina em outro nó

Pontos Pontos Cotados

Ilha(tipo especial de

polígono)

Estruturas de Dados vetoriais

Vetores + TabelasAssociação entre Geometria (localização) & Atributos

Fonte: http://www.vitruvius.com.br/revistas/read/arquitextos/05.059/479

Rede Contém objetos com topologia arco-nó Grafo que armazena informações sobre recursos que fluem entre

localizações geográficas distintas

Rede

Rede

Vetorial Preserva relacionamentos topológicos Preferida quando necessitamos de precisão (ex.

cadastro urbano e rural)

Matricial Representa melhor fenômenos com variação

contínua no espaço (ex. Elevação, temperatura, densidade populacional)

Facilidade na superposição de planos de informação (álgebra de mapas)

Vetorial & Matricial

UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

INPE: Geotecnologias Estratégicas

aRT

Habeas Software

O TerraView  é um aplicativo geográfico, um Sistema de Informação Geográfica – SIG, construído sobre a biblioteca de geoprocessamento TerraLib , tendo como principais objetivos apresentar à comunidade um visualizador de dados geográficos com recursos de consulta e análise destes dados.

http://www.dpi.inpe.br/terraview/

O TerraView é um produto do INPE de distribuição gratuíta e de código aberto com licença GPL.

PARTE IIPrática com o Software TerraView

Modelo de Dados Criação de Banco de dados e importação

de dados espaciais Ferramentas Básicas de Análise Operações Geográficas Visão Geral de Outras Funcionalidades

Modelo de Dados

Para operar o TerraView é necessário compreender como é definido o modelo de dados da TerraLib, sobre o qual este aplicativo foi construído. Portanto, os seguintes conceitos são apresentados:

Banco

Plano de Informação (PI)

Vista

Tema

Banco de Dados

Em TerraView, TODOS os dados geográficos estão armazenados no Banco de Dados. O TerraView então utiliza todo o poder de um Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD) para armazenar e recuperar: Dados tabulares (tabelas de atributos) Geometrias (pontos, linhas, polígonos, grades ou imagem).

Exercício: Criar Banco de Dados “SJC”

Criando um Banco de Dados

• Arquivo

• Banco de dados

• Criar

• Access

• Escolha um diretório

• Nomeie o BD

OK

Plano de Informação (PI)

Camada de dados com informações geográficas (geometria e atributos).

Cada PI contém informações referente a um único tipo de dado. Exemplo: Divisão Política Setores Censitários Rios

Área geográfica definida elevação

rios

divisãopolítica

Plano de Informação

Plano pode ser importado. Cada PI armazena os parâmetros de projeção cartográfica no

qual foi criado.

Exercício: Adicionar PIs Setores censitários (polígonos /.shp) Vias (linhas / .shp ) Rede de drenagem (linhas / .shp) Estabelecimentos comerciais (pontos/ .shp) Imagens de Sensoriamento Remoto (.tiff)

Shapefiles (.shp) Formato popular de dados geográficos em formato vetorial Armazena geometrias do tipo ponto, linha e polígono, bem

como uma tabela com as propriedades/atributos de cada elemento

Desenvolvido pela ESRI para a interoperabilidade de dados Um conjunto de arquivos:

.shp : geometria .shx : índice que permite realizar buscas rápidas .dbf : atributos/tabela no formato dBASE .prj : arquivo que descreve projeção utilizada .xml: metadado em formato XML .sbx & .sbn : índice espacial das feições

Exemplos de Fontes de Dados

Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) www.ibge.gov.br

Fundação SEADE www.seade.gov.br

DATASUS – Departamento de Informática do SUS www.datasus.gov.br

OpenStreetMap http://www.openstreetmap.org/

Catálogo de Imagens INPE http://www.dgi.inpe.br/CDSR/

Importando um Plano de Informação

???

Cartografia

Fonte: Júlio D’Alge

Nós!!!

Leitura: Cartografia para Geoprocessamento (Julio D’Alge)

http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro/introd/cap6-cartografia.pdf

Vista

Área de trabalho de um mapa interativo, que permite mostrar, consultar e analisar os dados geográficos.

Uma vista contém um conjunto de temas e são apresentados na Aba de visualização, em função dos parâmetros cartográficos definidos para a vista.

Criando uma vista

Árvore do BD

Árvore de vistas e temas

Tema

Um tema é definido para exibir o conteúdo de um Plano de Informação (PI) que está no banco ativo.

Um tema mostra um PI na projeção cartográfica da

vista a qual está associado. Um mesmo PI pode ser apresentado por diferentes temas que podem ser adicionadas a varias vistas

Tema

Área de desenho

Área de grade e barra de mensagens

Árvore do BD

Árvore de vistas e temas

Barra de Ferramentas

Exercícios

Importar PLANOS DE INFORMAÇÃO (PI) Dados 01 a 07

Criar uma VISTA com vários TEMAS Explorar a barra de ferramentas

Ferramentas Básicas de Análise

Edição do Visual

Botão direito no tema => Visual => Default

Editar Legenda

• Botão direito sobre o tema• Editar Legenda• Escolher Modo• Escolher Atributo• Escolher nr. de Fatias

OK

Aplicar

Configurar Barra de Cores

Exercício

Mapa TemáticoChefes de Família com Rendimento

Superior a 20 salários mínimos

Importando/Conectando Tabela Externa

Importando Tabela Externa

• Arquivo

• Importar tabela

• Tipo: Externa

• Escolha o arquivo e a chave primária

• Executar

A Tabela foi importada com sucesso!

ConectandoTabela Externa

• Arquivo

• Botão direito na área de grade

• Tabela

• Conectar tabela externa

• Arraste o ID da Tabela Externa para cima do ID da Tabela do Tema

DesconectandoTabela Externa

1. Selecione na Área de grade uma coluna da tabela externa;

2. Clique com o botão direito sobre o nome da coluna e escolha a opção

Desconectar Tabela Externa.

Exercício

Importar e conectar tabela de Censo Demográfico: “Domicílios”

Desconectar tabela

Importando Tabela Estática

• Arquivo

• Importar Tabela...

• Tipo Estática

• Escolha o arquivo e a chave primária

• Executar

A Tabela foi importada com sucesso!

Selecionando Tabela Estática

• Botão direito sobre o Tema

• Selecionar Tabelas do Tema...

• Selecionar Tabela como Tabela do Tema

• Executar

Exercício

1. Importar tabela “domicilios” como estática.

2. Mudar nome das variáveis V005 e V017

3. Criar nova coluna e calcular a proporção de domicílios particulares permanentes com abastecimento de agua (rede geral)

4. Gerar mapa

Modificando Nome de Coluna

• Botão direito sobre coluna cujo nome queremos modificar

• Modificar nome da Coluna...

• Novo nome

• Executar

Exercício

1. Importar tabela “domicilios” como estática.

2. Mudar nome das variáveis V001 e V017

3. Criar nova coluna e calcular a proporção de domicílios particulares permanentes com abastecimento de agua (rede geral)

4. Gerar mapa

Adicionar Coluna e Alterar Dados

Exercício

1. Importar tabela “domicilios” como estática.

2. Mudar nome das variáveis V001 e V017

3. Criar nova coluna e calcular a proporção de domicílios particulares permanentes com abastecimento de agua (rede geral)

4. Gerar mapa

Estatística Descritiva

• Botão direito sobre a coluna da variável de interesse

• Estatística...

Histograma

Botão direito sobre variável / Histograma/Todos

Consulta por Atributos

Botão Direito sobre o Tema

Consulta por atributo

Estipular regra da consulta

Nova Consulta

Opera sobre os atributos de mapas vetoriais (ponto,linha e polígono)

Ex: Quais setores possuem menos do que 10% dos domicílios com abastecimento de água (rede geral)?

Consulta Espacial

Botão Direito sobre o Tema “Favelas” (selecionar feições)

Consulta espacial

Tema Visível: “SetoresSJC”

Escolher relação topológica (contém)

Nova Consulta

Opera com relacionamentos espaciais entre objetos de um mapas vetorial (ponto, linha ou polígono) ou entre mapas vetoriais.

Ex: Selecionar setores onde estão localizadas favelas (overlap)

Os objetos consultados (por atributos ou espacial) têm um visual de cor diferente da default .

O que fazer com o resultado da seleção?

• Botão direito sobre o Tema

• Criar Tema a partir do tema

• Marque “Consultado”

• Nomeie o novo tema

Executar

Selecionar objetos de um tema: Por Apontamento Por Consulta (atributos ou

espacial)

Com o resultado pode-se: Criar plano a partir do tema

selecionado Criar tema a partir do tema

selecionado Salvar tema para arquivo

Operações Geográficas

Agregação Soma Intersecção Diferença Atribuir Dado por Localização Criação de Buffers

Agregação e Soma

• Botão direito sobre a Vista

• Geoprocessamento

• Agregação ou Soma

Agregação: Elimina divisões indesejadas através dos valores de atributos.

Soma: Combina temas diferentes

Interseção Requer dois Temas como entrada: um Tema com

qualquer tipo de representação (polígonos, linhas, pontos, células ou dados matriciais) e outro contendo polígonos que formarão uma máscara de recorte, de uma área específica de interesse.

O resultado é um novo Plano de Informação formado pelos objetos do primeiro Tema em interseção com a máscara de recorte do Tema de Superposição.

Diferença É o oposto da intersecção. Enquanto a Intersecção cria um novo Plano de

Informação a partir de uma máscara, a diferença elimina uma área específica a partir da máscara (Área de Diferença) e mantém os atributos do Tema Original.

Exercícios

Interseção:

o A partir do tema “macrozonas”, criar um tema que contenha apenas a área urbana de SJC.

o Realizar a interseção entre a imagem Landsat e a área urbana

Atribuir dado por localização

Temas devem possuir uma relação espacial.

A operação se divide em dois tipos: Coletar: É escolhido um tema para o qual será

atribuído informações de um outro tema que fornecerá os dados.

Distribuir: Essa operação tem o efeito inverso, ela distribui informações de um Tema “maior” para um Tema “menor”. Exemplo, atribuir a cada foco as informações sobre a cidade onde eles estão localizados.

Atribuir dado por localização

Exercício (Distribuir – do “maior” para o “menor”)Obter, para cada estabelecimento comercial, o valor da densidade habitacional do setor onde está localizada.

Exercício (Coletar – do “menor” para o “maior”)Obter o número de estabelecimentos comerciais em cada setor.

Selecionar os setores que não possuem estabelecimentos comerciais (Consulta por Atributo)

Criação de Buffer

Exercício

Criar, para um determinada rodovia (Dutra), um buffer de 500m.

Análise EspacialMatriz de Proximidade

Índice de Moran Local – LISA

Funções G e G*

Taxas Bayesianas

Mapa de Kernel

Regionalização de Áreas (SKATER)

http://www.dpi.inpe.br/terraview/docs/tutorial/Aula8.pdf

Estimador de Intensidade (Kernel) Alternativa para analisar o comportamento de

padrões de pontos Fornece, por meio de interpolação, a intensidade

pontual do processo em toda a região de estudo

LARGURA DE BANDA (τ)

FUNÇÃO DE PONDERAÇÃO

Exercício

Criar Mapa de Kernel a partir do Tema “Comercio”

Mais sobre Kernel: http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro/analise/cap2-eventos.pdf

Plugins

Preenchimento de Célulashttp://www.dpi.inpe.br/terraview/docs/tutorial/Aula15.pdf

Edição Vetorial – TerraEdithttp://www.dpi.inpe.br/terraview/docs/tutorial/Aula14.pdf

Processamento Digital de Imagens – Terra Imagehttp://www.dpi.inpe.br/terraview/docs/tutorial/Aula16.pdf

Impressão - TerraPrinthttp://www.dpi.inpe.br/terraview/docs/tutorial/Aula13.pdf

Fluxos - Flowhttp://www.dpi.inpe.br/terraview/docs/tutorial/Aula11.pdf

Outros Plugins

http://www.dpi.inpe.br/terraview/php/plug.php?body=PluginsRelacao

http://www.dpi.inpe.br/terraview

Material Auxiliar

Outras Referências Curso Introdução ao Geoprocessamento, SER 300. DPI/INPE:

http://www.dpi.inpe.br/cursos/ser300/ Livro “Geoprocessamento: Teoria e Aplicações”, organizado por Gilberto

Câmara, Antônio Miguel V. Monteiro e Clodoveu Davis: http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro/

Cursos de Curta Duração DPI/INPE – Fundamentos de Geoprocessamento & Introdução ao TerraView: http://www.selperbrasil.org.br/cursos/cursos_sjc.php

Contato:Flávia Feitosaflavia.feitosa@ufabc.edu.brflafeitosa.wordpress.com