GEOPROCESSAMENTO E SENSORIAMENTO

REMOTO APLICADO A RECURSOS HÍDRICOS

Autores:

Fabiano Costa de Almeida

Especialista em Geoprocessamento/ANA

Daniel Assumpção Costa Ferreira

Especialista em Geoprocessamento/ANA

1. FUNDAMENTOS DE GEOPROCESSAMENTO PARA RECURSOS HÍDRICOS

1.1 Conceitos Introdutórios e definições

Sobre os recursos hídricos...

• Recurso hídrico é aquele formado pela água doce superficial e subterrânea a que

temos acesso.

• É um recurso extremamente escasso, pois menos de 3% da água existente é doce,

sendo a maior parte desta pequena porção armazenada em geleiras.

• No Brasil, a Lei n° 9.433/1997 (“Lei das Águas”) institui a Política Nacional de Re-

cursos Hídricos e cria o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos.

• Segundo a Lei n° 9.433/1997, a Política Nacional de Recursos Hídricos baseia-se

nos seguintes fundamentos (Art. 1°):

– I - a água é um bem de domínio público;

– II - a água é um recurso natural limitado, dotado de valor econômico;

– III - em situações de escassez, o uso prioritário dos recursos hídricos é o consumo humano e a dessedentação de animais;

– IV - a gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas;

Fonte: http://www.drm.rj.gov.br/index.php/projetos-e-

– V - a bacia hidrográfica é a unidade territorial para implementação da Políti-

ca Nacional de Recursos Hídricos e atuação do Sistema Nacional de Geren-ciamento de Recursos Hídricos;

– VI - a gestão dos recursos hídricos deve ser descentralizada e contar com a

participação do Poder Público, dos usuários e das comunidades.

• Perceba que no inciso V daquele artigo, a lei afirma que “a bacia hidrográfica é a

unidade territorial”.

• Segundo o IBGE¹, uma BACIA HIDROGRÁFICA é um conjunto de terras drenadas

por um rio principal e seus afluentes. Uma bacia se limita com outra pelo divisor de águas.

• Neste momento do curso é importante apresentar outras nomenclaturas ligadas à área de recursos hídricos. A padronização ora utilizada é aquela adotada pelo IB-

GE.

• RIO: curso d’água natural que desagua em outro rio, lago ou mar. Os rios levam as

águas superficiais, realizando uma função de drenagem, ou seja, escoamento das águas.

• Seus cursos estendem-se do ponto mais alto (nascente ou montante) até o ponto

mais baixo (foz ou jusante), que pode corresponder ao nível do mar, de um lago ou de outro rio do qual é afluente.

• DIVISOR DE ÁGUAS: Materializa-se no terreno pela linha que passa pelos pontos

mais elevados do terreno e ao longo do perfil mais alto entre eles, dividindo as águas de um e outro curso d’água.

• Já sabemos que os recursos hídricos são escassos, dotados de valor econômico,

de domínio público e que a bacia hidrográfica é a unidade territorial para a gestão compartilhada destes recursos.

• As análises das medições das estações fluviométricas, das imagens de satélite,

dados meteorológicos devem ser reunidos e analisados para a correta tomada de decisão por parte do gestor

• Nesse contexto, as disciplinas de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto auxiliam sobremaneira a gestão dos recursos hídricos, especialmente no caso do

Brasil, um país de dimensões continentais.

Sobre o Geoprocessamento...

• Câmara et al. (2001)² definem Geoprocessamento como “a disciplina do conhe-

cimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para o tratamen-to da informação geográfica”.

• A todas as coisas concretas podemos agregar atributos de localização:

– Coordenadas do posicionamento de um automóvel, de um navio, de uma

casa, de uma árvore, de uma cadeira, de um parafuso, de uma estação flu-viométrica, do encontro de dois cursos d’água...

• Os dados com atributos “geo” agregam valor à análise para a tomada de decisão

de um empresário, de um governante, de um gestor público. Neste curso, nos inte-ressa utilizar esta disciplina para a gestão de recursos hídricos.

Sobre Sistema de Informações Geográficas...

• A ferramenta de que o Geoprocessamento se vale é o Sistema de Informações

Geográficas – SIG (Geographic Information System – GIS).

• Como o próprio nome indica, o SIG é um sistema. Embora os softwares façam par-

te de um SIG, não são eles os únicos elementos que o formam. Há também:

– Hardware, dados, pessoas e métodos.

Sobre as classes de representação...

• Ao utilizarmos um SIG para Geoprocessamento, não trabalhamos com o mundo

real.

• O mundo real é contínuo. Assim, tratamos com uma abstração da realidade, ou se-

ja, nós a representamos simplificadamente em um espaço discreto com as classes de representação.

• No SIG, há duas grandes classes de representação geométrica:

– Vetorial: pontos, linhas e polígonos (Ex.: polígono de limites de um município,

ponto de localização de uma estação fluviométrica etc.)

– Matricial (raster): matriz bidimensional (Ex.: imagem, modelo digital do terre-

no etc.)

• Como nós teremos um módulo específico no curso a distância, não irei avançar

mais no assunto Geoprocessamento, OK?

• Não se esqueça do link para a publicação gratuita dos pesquisadores do Instituto

Nacional de Pesquisas Espaciais no início desta apresentação, caso você desejar se aprofundar.

• Agora, vamos ver algumas definições e conceitos introdutórios quanto à disciplina

Sensoriamento Remoto, que também possui um módulo reservado de ensino a dis-tância.

Sobre Sensoriamento Remoto...

• SENSORIAMENTO REMOTO é o conjunto de técnicas que possibilita a obtenção

de informações sobre alvos na superfície terrestre (objetos, áreas, fenômenos), através do registro da interação da radiação eletromagnética com a superfície, rea-lizado por instrumentos denominados de sensores, sem que haja contato direto com o alvo investigado.

• Geralmente estes sensores estão presentes em plataformas orbitais ou satélites, aviões e a nível de campo.

• Os sensores remotos captam a radiação eletromagnética refletida ou emitida pelo objeto convertendo-a em sinal elétrico passível de registro e posterior interpretação

• Os SISTEMAS SENSORES, que convertem a energia eletromagnética proveniente dos objetos em um registro na forma de imagem ou gráfico, podem ser classifica-

dos em PASSIVOS ou ATIVOS:

• Sensores passivos

• Não possuem fonte própria de radiação.

• Recebem a radiação eletromagnética que foi emitida pelos próprios

alvos ou que foi emitida por outra fonte (Ex: Sol) e posteriormente re-fletida pelos alvos.

• Sensores ativos

• Possuem sua própria fonte de radiação eletromagnética.

• A radiação eletromagnética recebida pelo sensor foi previamente emi-

tida por ele mesmo.

1.2 Geoprocessamento e Sistemas de Informação Geográfica – Conceitos intro-

dutórios

Conceitos:

Geoprocessamento

Geoprocessamento denota a disciplina do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para o tratamento da informação geográfica e que vem influenciando de

maneira crescente as áreas de Cartografia, Análise de Recursos Naturais Transportes, Comunicações, Energia e Planejamento Urbano e Regional (Camara, 1995).

O geoprocessamento é o processamento informatizado de dados georreferenciados.

Utiliza programas de computador que permitem o uso de informações cartográficas (mapas, cartas topográficas e plantas) e informações a que se possa associar

coordenadas desses mapas, cartas ou plantas (Wikipédia).

Conceito simplificado:

“Geoprocessamento é a disciplina do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e

computacionais para o tratamento da informação geográfica.” Se “onde” é uma informação imprescindível no seu projeto, negócio, estudo, então

Geoprocessamento é sua ferramenta de trabalho.

Sistema de Informações Geográficas – SIG

Um Sistema de Informação Geográfica (SIG ou GIS - Geographic Information System) é

um sistema de hardware, software, informação espacial e procedimentos computacionais que permite e facilita a análise, gestão ou representação do espaço e dos fenômenos que

nele ocorrem (Wikipédia). É “um conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armaze-nar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real” (Burrough, 1987); um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual opera um conjunto de procedi-mentos para responder a consultas sobre entidades espaciais” (Smith et al., 1987).

Observe que no conjunto de definições apresentados as palavras sistema e dados espa-

ciais são recorrentes, então podemos definir SIG com sendo um “Sistema concebido para manipular e produzir informação a partir de dados espaciais.”.

Geoprocessamento x Sistema de Informações Geográficas

Geoprocessamento é uma tecnologia formada pela confluência de outras tecnologias, a

saber:

• Sistema de Posicionamento Global (GPS);

• Sensoriamento Remoto;

• Processamento Digital de Imagens (PDI);

• Cartografia Digital;

• Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados (SGBD);

• Sistemas de Informações Geográficas (SIG).

Observando os parágrafos anteriores que definem SIG, Geoprocessamento e suas inter-

faces, percebemos que o SIG é uma das ferramentas/sistemas que compõem uma parte importante da ciência do Geoprocessamento.

Por se tratar do sistema mais importante, dinâmico e crucial aos profissionais do geopro-

cessamento, os slides subsequentes irão abordar com maior detalhe o funcionamento, fonte e modelo de dados, e aplicações do SIG em recursos hídricos e áreas correlatas.

Componentes de um SIG

Software: Programas (ambientes computacionais) que manipulam e geram dados georreferenciados.

Softwares tipo SIG

1. SPRING - www.dpi.inpe.br/spring/

• Tecnologia Brasileira desenvolvido pelo INPE

• Gratuito

• Constante atualização

2. gv SIG

• Software livre desenvolvido na Espanha e boa alternativa

• Vem crescendo no mercado

3. Quantum GIS - www.qgis.org/

4. Globbal Mapper

• Barato

• Excelente visualizador para distintos formatos de dados espaciais

• Boa interface com GPS

• Fácil manipulação

5. Grass (Geographic Resources Analysis Support System) - wwwgrass.fbk.eu

• Processamento de imagens

• Modelagem espacial

• Produção de gráficos

• Visualizador de dados de vários formatos

Softwares para Processamento Digital de Imagens (PDI)

1. ENVI - http://www.envi.com.br/

• Mais amplamente usado

• Boa interface com ArGIS

• Existe representante autorizada no Brasil

• R $17.000,00

2. ERDAS- http://www.erdas.com

• Foi líder de mercado durante anos

• A opção entre ERDAS X ENVI depende muito do operador

• R$36.000,00

3. SPRING - - http://www.dpi.inpe.br/spring/

• Bastante usado por pesquisadores do INPE

• Tecnologia Nacional

Hardware: Componentes físicos do sistema. CPU e periféricos de entrada e saída

das informações (mesa digitalizadora, scanner, plotter, teclado, etc.).

Configuração Mínima:

• HD de 80 Gb.

• Memória RAM > 1 GB.

• Processador Pentium 4 com clock acima de 2GHz.

• Tela de 17”.

•

Dados: Formas de representação do mundo real

TIPOS DE DADOS EM SIG - Os dados, representações do mundo real, quando im-

plementados em ambiente computacional podem ser tipificados nas categorias:

• Dados temáticos: Dados temáticos descrevem a distribuição espacial de uma

grandeza geográfica, expressa de forma qualitativa, como os mapas de pedologia e a aptidão agrícola de uma região.

Dados cadastrais: distingue-se de um temático, pois cada um de seus elementos é um

objeto geográfico, que possui atributos e pode estar associado a várias representações gráficas. Por exemplo, os lotes de uma cidade são elementos do espaço geográfico que possuem atributos (dono, localização, valor venal, IPTU devido, etc.) e que podem ter re-

presentações gráficas diferentes em mapas de escalas distintas. Os atributos estão arma-zenados num sistema gerenciador de banco de dados.

Dado tipo Redes: No caso de redes, cada objeto geográfico (e.g: cabo telefônico, trans-

formador de rede elétrica, cano de água) possui uma localização geográfica exata e está sempre associado a atributos descritivos presentes no banco de dados. As informações gráficas de redes são armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-nó: os atributos de arcos incluem o sentido de fluxo e os atributos dos nós sua impedância (custo de percorrimento). Rede em Geoprocessamento denota as informações associadas a:

Serviços de utilidade pública, como água, luz e telefone;

Redes de drenagem (bacias hidrográficas);

Rodovias.

Dado tipo Modelo Numérico do Terreno (MNT): utilizado para denotar a representação

quantitativa de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Um MNT pode ser de-finido como um modelo matemático que reproduz uma superfície real a partir de algori t-mos e de um conjunto de pontos (x, y), em um referencial qualquer, com atributos denota-dos de z, que descrevem a variação contínua da superfície. Alguns exemplos de dados armazenados no formato de MNT são:

Modelo Digital de Elevação de uma região

Concentração de ferro em terreno de mineração

Profundidade de uma lagoa ao longo de sua superfície

Declividade de uma encosta

Dado tipo Imagem: Obtidas por satélites, fotografias aéreas ou "scanners" aerotranspor-

tados, as imagens representam formas de captura indireta de informação espacial. Arma-zenadas como matrizes, cada elemento de imagem (denominado "pixel") tem um valor proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida pela área da superfície terres-

tre correspondente. Pela natureza do processo de aquisição de imagens, os objetos geo-

gráficos estão contidos na imagem, sendo necessário recorrer a técnicas de fotointerpre-tação e de classificação para individualizá-los.

REPRESENTAÇÃO DE DADOS EM SIG – Os distintos tipos de dados espaciais, apre-

sentados nos slides anteriores, são categorizados dentro de um SIG em dois formatos primordiais:

Matricial ou raster – Geometria representada por uma matriz de pixels.

Vetorial - geometria representada na forma de linhas, pontos e polígonos.

FORMATO VETORIAL

FORMATO VETORIAL

Importante: A todo dado vetorial armazenado e manipulado dentro de um SIG sempre

estará associado uma tabela de atributos. A robustez de um SIG deve-se em grande me-dida a sua capacidade de associação de dados tabulares a informação espacial.

FORMATO MATRICIAL OU RASTER

FORMATO MATRICIAL OU RASTER

Imagens de satélite:

• O valor do pixel expressará a refletância convertida a DN (0 a 255 em ima-

gens 8bits).

Arquivos matriciais diversos:

• O valor do pixel expressará o valor atribuído a ele no processo de geração

do mesmo. Podendo conter informação numeral e nominal.

• No caso do MNT o valor do pixel representará o valor numeral da superfície

modelada. EX: altitude no srtm e profundidade na batimetria.

FORMATO MATRICIAL vs VETORIAL – Uma determinada informação em formato vetorial

pode ser convertida em matricial e vice-versa. Mas ao realizarmos esta operação dentre de um SIG temos de estar ciente das restrições geométricas impostas a este tipo de con-

versão.

Observe na figura ao lado que a conversão do arquivo vetorial tipo polígono em arquivo

matricial gera uma figura geométrica similar, mas não idêntica a figura original, ou seja, se fôssemos calcular a área de cada uma das figuras haveria diferença em seus valores.

FONTES DE DADOS EM SIG:

1. CARTAS PLANIMÉTRICAS

Cartas Planimétrcas produzidas pelo Exército em formato analógico:

• Necessitam ser digitalizadas e vetorizadas para separação dos temas.

• Importante fonte de dados.

• Dados derivados destas: Topografia, hidrografia, localidades, estradas, entre outros.

2. IMAGENS ORBITAIS

Diferentes sensores para distintas aplicações:

1. Landsat- TM/ETM, CBERS-CCD e SPOT-HRV : Mudança de uso e cobertura da terra.

2. Nooa- AVHRR: Estimativa de fitomassa, estudos em meteorologia e agrometeoro-logia.

3. Ikonos e QuickBird: Estudos em ambiente urbano, demarcação de propriedades, etc.

4. SRTM: Levantamento topográfico.

3. PONTOS DE GPS E PLANILHAS ELETRÔNICAS

Aplicações GPS:

1. Coleta de pontos de interesse.

2. Aferição de trabalho de escritório.

3. Demarcação de terras (deve ser GPS geodésico).

Aplicações de planilhas eletrônicas:

1. Agregação de informações tabulares úteis.

2. Geração de arquivos vetoriais, desde que existam campos contendo as coordena-

das de cada uma de suas feições. No exemplo ao lado, cada feição possui uma coordenada de latitude e longitude.

3. Elaboração de gráficos e estatísticas.

BENEFÍCIOS DA IMPLEMENTAÇÃO DE UM SIG:

1. Dados geoespaciais podem ser armazenados facilmente.

2. Revisão e atualização são mais fáceis.

3. Dados geoespaciais podem ser consultados, analisados e representados fa-cilmente.

4. Dados geoespaciais podem ser compartilhados e trocados livremente.

5. A produtividade de processos é muito melhor.

6. Mais econômico e mais rápido.

7. Melhora as tomadas de decisões.

PRINCIPAIS FUNÇÕES DO SIG:

1. Qual é o fenômeno em estudo?

2. Onde certo fenômeno ou atributo ocorre?

3. Como ele muda ao longo do tempo?

4. Quais são as relações entre as distintas entidades espaciais?

5. O que acontece se...?

ETAPAS DE TRABALHO EM SIG

ÁREAS DE APLICAÇÃO DE UM SIG

CRUZAMENTO DE CAMADAS DE INFORMAÇÃO ESPACIAL

UTILIDADES:

1. Mapeamento de área de risco.

2. Delineamento de áreas aptas à construção.

3. Traçado de ferrovias e estradas.

4. Identificação de pontos para instalação de estação fluviométricas e pluviométricas.

CORRELACIONAR DADOS ESPACIAIS

ESTUDOS MULTITEMPORAIS

ÁREAS DE APLICAÇÃO DE SIG EM RECURSOS HÍDRICOS

DELINEAMENTO DE ÁREA DE DRENAGEM DE ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS

Etapas do trabalho:

1. Seleção da bacia de interesse dentro de um SIG.

2. Cruzamento espacial entre a bacia de interesse e o Modelo Digital de Elevação –

MDE, que fornecerá a altimetria da região.

3. Usando operadores espaciais em um SIG, extrai-se o MDE do interior da bacia de inte-

resse.

4. Acrescenta-se o arquivo vetorial da localização das estações fluviométricas

5. Extração de arquivo de direção de fluxo a partir do MDE, ou seja, este arquivo

indica a direção que a chuva precipitada sobre determinada área (pixel) vai tomar;

6. A partir do arquivo matricial de direção de fluxo, extrai-se o arquivo de acumula-

ção de fluxo, que exprime quantos pixeis a montante de determinado ponto (pixel) drenam para este;

7. Uma vez gerada o raster de acumulação de fluxo, edita-se o arquivo vetorial das

estações fluviométricas. Nesta etapa do trabalho objetiva-se fazer que as estações

fluviométricas tenham sua localização espacial coincidente com o “calha do rio”, neste caso representado pelo arquivo de acumulação de fluxo.

8. Nesta etapa de edição manual conta muito a experiência do geoprocessador e a

disponibilidade de outras fontes de informação. No exemplo ao lado, uma estação fluviométrica inicialmente plotada distante do rio (erro de sistema de coordenadas ou imprecisão da coordenada) foi deslocada manualmente 4km para a calha do rio Mapuera, observando uma carta topográfica da região. Observe que a tabela de

atributos da estação confirma ela está localizada na aldeia indígena WAI-WAI.

9. Na etapa anterior utilizamos a carta topográfica como referencial para a realoca-

ção da estação fluviométrica, na prática o objetivo é fazer com que a estação fluvi-ométrica esteja situada na calha do rio, que neste modelo é representado pelo ar-quivo matricial de acumulação de fluxo.

10. Uma vez ajustadas todas as estações fluviométricas às calhas (raster de acu-mulação de fluxo) dos seus respectivos rios, rodamos um algoritmo que irá delinear

a geometria da área de contribuição de cada uma das estações fluviométricas;

11. Uma vez delineada a geometria, calcula-se a área de contribuição, em km2, de

cada uma delas;

12. Ao final teremos um arquivo vetorial tipo polígono, representando a área de

contribuição das estações.

ÁREAS DE APLICAÇÃO DE SIG EM RECURSOS HÍDRICOS

CODIFICAÇÃO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS PELO MÉTODO DE OTTO PFAFSTET-

TER

Em 1997 é publicada a Lei 9.433 que institui o Sistema Nacional de Gerenciamento de

Recursos Hídricos – SINGREH, e entre outras medidas cria o Conselho Nacional de Re-cursos Hídricos - CNRH que começa a funcionar em 1998. No ano 2000 é criada a Agên-cia Nacional de Águas por meio da Lei 9.984.

Atentos às vantagens da codificação de Otto e necessitando estabelecer as bases para a

implantação da recém-criada Política Nacional de Recursos Hídricos, o CNRH estabelece em 2002, por meio de sua Resolução nº 30/2002, que o método de Otto Pfafstetter passa a ser a codificação oficial de bacias hidrográficas no Brasil. Nessa resolução é

estabelecida uma divisão de bacias para a América do Sul, a qual serviu de ponto de partida para a construção da Base Hidrográfica Ottocodificada da ANA, cuja primeira ver-são foi publicada em dezembro de 2006.

Tomemos como exemplo a bacia do rio Trombetas mostrada na Figura 2. Essa bacia faz

parte da bacia amazônica e traz na atual codificação da base hidrográfica da ANA o códi-go 454. Vamos representar esse código 454 por um código R para tornar o exemplo mais genérico. A partir do radical R são agregados à sua direita dígitos pares e ímpares de acordo com o processo descrito a seguir.

O método de Otto Pfafstetter inicia-se pela determinação do curso d’água principal da ba-cia a ser codificada. Essa determinação consiste em partir da foz da bacia e decidir a ca-

da confluência, qual o trecho de maior área de contribuição. Repetindo-se esse processo a cada confluência, vai-se agregando trechos ao curso d’água principal até o trecho mais a montante. O rio destacado em vermelho é o resultado desse primeiro passo.

As áreas restantes contribuem diretamente para o curso d’água principal e são denomi-

nadas interbacias. Os quatro tributários principais dividem o rio em cinco trechos. As áreas de contribuição de cada um desses trechos recebem então os dígitos ímpares 1, 3, 5, 7, e 9, conforme ilustrado ao lado.

Note-se que ao contrário das bacias (propriamente ditas), que possuem uma certa uni-formidade nos seus tamanhos, as interbacias possuem tamanhos amplamente variáveis,

a interbacia R5 é praticamente invisível na figura ao lado. Isso ocorre porque segundo a lógica da codificação de Otto, o tamanho das interbacias é proporcional à distância entre os tributários que a limitam. No presente caso, uma vez que os tributários R4 e R6 são muito próximos, a interbacia 5 reduz-se a uma área minúscula.

Supondo que o código R corresponde à bacia 454, teríamos nesse ponto a configuração

de códigos mostrada ao lado. Uma vez que os códigos possuem 4 dígitos, essa codifica-ção é dita de nível 4.

O processo deve ser repetido para cada uma das bacias e interbacias até esgotar os tr i-butários, ou, dito de outra forma, até que as bacias correspondam a apenas um trecho de

hidrografia. Observe-se que no caso da interbacia 4545, não é possível detalhar mais, pois não há tributários. Essa interbacia só será detalhada se for feita para ela uma repre-sentação em escala maior.

Uma vez dado o código à bacia, ou ottobacia, esse código pode ser utilizado para outras finalidades, dando origem a códigos derivados, tal como ocorre com os trechos de drena-

gem que recebem o código de sua ottobacia correspondente, ou com os cursos d’água que recebem a parte esquerda do código de suas ottobacias componentes até o último número par. Está em estudo pela ANA a codificação das estações da rede hidrometeoro-lógica e das massas d’água (lagos, reservatórios, etc.) usando o método de Otto.

Uma vez codificadas pelo método de Otto, toda bacia em território Sul Americano pode

ser inequivocamente identificada dentro de um SIG. Assim como se torna fácil a identifi-cação de todas as bacias de contribuição que drenam para determinado ponto numa ba-cia hidrográfica pré-definida.

INTELIGÊNCIA GEOGRÁFICA / SISTEMA NACIONAL DE INFORMAÇÕES SOBRE RE-

CURSOS HÍDRICOS - SNIRH

CONJUNTURA DOS RECURSOS HÍDRICOS NO BRASIL

1.3 Conceitos Básicos de Cartografia

Olá! Espero que você esteja aproveitando essa fase de ensino a distância do curso.

Neste tópico 3, veremos os conceitos básicos da Cartografia.

Além desta apresentação, para aprofundar um pouco mais o assunto, você também pode

se apoiar em uma apostila sobre cartografia que o pessoal do Instituto Brasileiro de Geo-grafia e Estatística – IBGE disponibiliza gratuitamente na internet. O endereço eletrônico é:

http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/cartografia/manual_nocoes/nocoes.pdf

A figura abaixo não é nada parecida com aquelas que estamos acostumados a ver em livros de Geografia, não é mesmo?

Mas ela está correta!

Apenas foi utilizada uma técnica de representação cartográfica diferente!

Sobre a definição de Cartografia...

• A representação do mundo que nos cerca é uma das possibilidades da Cartografia.

Veja sua definição:

Observadas, portanto, a ciência e a técnica, há de ser considerado ainda o componente

artístico da comunicação visual de um mapa.

Sobre a escala...

• A redução do espaço físico real em um mapa ou a ampliação de um minúsculo ser

vivo em uma fotografia ou a exata reprodução de uma boneco de cera no museu são viabilizados pela ESCALA.

• Escala é a relação entre as dimensões dos elementos em um mapa ou em um ob-

jeto (d) e aquelas medidas diretamente sobre o elemento real representado(D).

• A redução do espaço físico real em um mapa ou a ampliação de um minúsculo ser

vivo em uma fotografia ou a exata reprodução de uma boneco de cera no museu são viabilizados pela ESCALA.

• Escala é a relação entre as dimensões dos elementos em um mapa ou em um ob-

jeto (d) e aquelas medidas diretamente sobre o elemento real representado(D).

• Todo documento cartográfico deve informar sua escala. Normalmente podemos

encontrar a escala em sua forma numérica e/ou gráfica. Veja:

• Quando trabalhar com dados geográficos, considere também a escala em que eles

foram produzidos. Feições extraídas de documentos em escalas pequenas (Ex: rios das cartas 1:1.000.000) dificilmente se “encaixarão” àquelas oriundas de do-

cumentos em escalas grandes (Ex: limites de municípios determinados pelos mesmos rios, mas que foram obtidos de cartas 1:50.000).

Sobre a forma da Terra...

• Quando estava no ensino fundamental, lembro que minha professora falava que a

Terra tinha a forma redonda, como uma bola de futebol;

• Já no ensino médio, ouvia que a Terra não era perfeitamente redonda, mas acha-

tada nos polos, por isso, sua forma era como de uma maçã;

• No curso pré-vestibular, a fruta era outra: pera! Isso porque nosso planeta tem

maior volume no Hemisfério Sul do que no Hemisfério Norte.

• Aqueles foram os objetos que nossos professores encontraram para a analogia

com o formato da Terra de acordo com a evolução estudantil (e que funcionou co-migo, pois nunca mais me esqueci!).

• Entretanto, sabemos que a superfície de nossa planeta é completamente irregular. Assim, necessitamos de modelos:

• No modelo físico, a superfície é denominada GEOIDE. Ela é formada por todos os

pontos de potencial gravitacional constante (superfície equipotencial) e que coinc i-de aproximadamente com o nível médio dos mares.

• Qual é a importância prática deste modelo físico para os recursos hídricos?

– mantidas as condições normais de pressão e temperatura, líquidos sempre

escoam de um ponto de potencial gravitacional maior para outro de menor potencial!

• Mesmo para o modelo geoidal, não é trivial utilizar aquela representação da Terra para determinar pontos em sua superfície.

• Adotando-se modelos matemáticos, cujas equações são perfeitamente definidas, podemos facilitar o trabalho.

• O sólido geométrico mais simples para a Terra é a ESFERA (raio aproximado de 6.371.000 m).

• Mas... lembra as irregularidades da superfície terrestre real? A esfera é tão simpló-ria que muitas aplicações práticas podem não ter suas precisões atendidas.

• Que tal se contemplássemos os achatamentos nos polos em um outro modelo ma-temático?

• Se fizermos uma elipse girar em torno de um de seus eixos, teremos um outro sóli-

do geométrico denominado ELIPSOIDE DE REVOLUÇÃO.

• Tal figura contempla os achatamentos dos polos da Terra, ajustando-se melhor à

superfície real do planeta sem embaraçar sobremaneira sua representação e a lo-calização de pontos em sua superfície.

• Por isso, o sólido geométrico do elipsoide é o modelo matemático utilizado nos di-

ferentes Sistemas de Referência Geodésicos ou Data² Geodésicos (WGS 84, SAD 69, Córrego Alegre, SIRGAS 2000 etc.).

– O Datum WGS 84 é utilizado pelo sistema de posicionamento global ameri-

cano conhecido como ‘GPS’;

– O SIRGAS 2000 é o Sistema Geodésico Oficial do Brasil desde 2005. Mas,

em nosso país, muitas bases de dados ainda são encontradas em SAD 69 (oficialmente, eles podem coexistir até 2014).

– Os softwares que tratam informação geográfica apresentam algoritmos de transformação entre Sistemas de Geodésicos distintos, pois manter as ca-

madas de geoinformação no mesmo sistema de referência é uma boa práti-ca de geoprocessamento.

• Os Data Geodésicos podem ser globais ou locais.

– Datum global (geocêntrico) = centro do elipsoide coincide com o centro da

Terra. Exemplo: WGS 84 (World Geodetic System 1984), SIRGAS 2000 (Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas 2000);

– Datum local (topocêntrico) = centro do elipsoide NÃO coincide com o centro da Terra. Assim, sua superfície pode se adequar melhor a uma determinada

localidade. Exemplo: SAD 69 (South American Datum 1969), que se adequa mais à América do Sul.

Sobre a localização de pontos...

• Estabelecido o modelo matemático para a forma da terra, interessa agora localizar

pontos em sua superfície.

• Qualquer ponto sobre a esfera ou o elipsoide pode ser inequivocamente posiciona-

do através de suas coordenadas de latitude, longitude e altitude (por enquanto, nos deteremos nas duas primeiras, pois trataremos da altitude mais adiante).

• Latitude (Φ)

– Marcada pelos paralelos

– Origem (0°) no plano do Equador

– Varia de +90° a -90°

– Ao norte do Equador: +

– Ao sul do Equador : -

Observação: a reta normal à superfície no ponto que se deseja obter as coordena-

das de latitude passa no centro do sólido somente se o modelo matemático for a esfera. Isso não ocorre no elipsoide devido ao achatamento.

• Como vimos, os sinais positivo (+) e negativo (-) indicam o hemisfério em que um

determinado ponto está localizado. Eles podem ser substituídos por letras. É impor-tante sempre indicar em que hemisfério está o ponto: N (Norte) ou S (Sul) para lati-tude (Φ); W (Oeste) ou E (Leste) para longitude (λ).

• Para completar o posicionamento tridimensional, ainda temos de considerar a alti-

tude deste ponto.

• Como estamos em um curso sobre recursos hídricos, em que o escoamento de lí-

quidos é uma questão central, o modelo físico (geoide) na questão da coordenada altimétrica não pode ser ignorado.

• Mas como relacionar os modelos físico (geoide) e matemático (elipsoide) quanto à

altitude?

• A distância entre um ponto e a superfície geoidal (modelo físico) é chamada de

ALTITUDE ORTOMÉTRICA (H), que pode ser obtida por aparelhos de medição de nível a partir de um marégrafo³ (em sua marcação do nível médio do mar) ou de Referências de Nível (RN’s

4).

• A distância entre um ponto e a superfície elipsoidal (modelo matemático) é chama-

da de ALTITUDE ELIPSOIDAL OU GEOMÉTRICA (h). As coordenadas altimétri-cas dos receptores de GPS e de demais sistemas de navegação por satélites são originalmente fornecidas em relação à superície do elipsoide.

• A diferença entre as altitudes elipsoidal e geiodal é chamada de “DESNÍVEL GEIODAL (N)”. Como as distâncias são tomadas sobre as retas normais àquelas

superfícies, por simplificação, temos:

N ≈ h – H

• É justamente o desnível geoidal (N) que relaciona os modelos físico e matemático. Essa ligação entre os modelos é necessária porque nós podemos dimensionar e

“encaixar” nosso elipsoide na Terra onde quisermos, pois trata-se de uma modela-gem matemática, lembra?

• Assim, para um determinado ponto, seu desnível geoidal pode ser positivo (se o

elipsoide está sob o geoide) ou negativo (se o elipsoide passa sobre o geoide na-quele local).

• Para cada ponto da superfície terrestre podemos calcular tal diferença gerar um

mapa de desnível geoidal.

• Dados provenientes de diferentes Sistemas de Referência Geodésicos podem ser

transformados para um único sistema escolhido por nós.

• Os softwares de geoprocessamento utilizam métodos que dependem do tipo de re-

presentação das coordenadas:

– Se estiverem em termos de (Φ, λ, h) -> Método de Molodensky.

– Se estiverem em coordenadas cartesianas (X, Y, Z) -> Método dos 3 ou 7

parâmetros.

• Se desejar aprofundar o assunto, basta utilizar o recurso de Ajuda (Help) do pro-

grama para geoprocessamento que você utiliza para descobrir como são construí-dos matematicamente os métodos citados anteriormente.

Sobre as projeções cartográficas...

• Até o presente momento, localizamos qualquer ponto tomando por base uma su-

perfície curva (elipsoide, pois é o sólido geométrico dos Sistemas Geodésicos).

• Entretanto, ninguém fica andando com tal superfície embaixo do braço, não é

mesmo?

• Logo, temos de projetar os pontos da superfície curva em uma superfície plana.

• Mas...

• ...você já tentou pegar casca de uma laranja e pressioná-la na parede?

– Se for uma calota equivalente à metade da laranja, você não conseguirá

deixá-la plana sem antes rasgá-la;

– Se for uma parte equivalente a um fuso (algo como a casca externa de um

de seus gomos), talvez você até consiga deixá-la plana sem rasgar, mas ainda com deformações.

– Sabemos que quanto menor for esse “pedaço”, menos deformações sofrerá

para ser planificado [veja, por exemplo, o caso da Projeção Myriahedral em http://www.win.tue.nl/~vanwijk/myriahedral/CAJ103.pdf (em inglês)]

• Isso acontece porque o elipsoide (ou mesmo a esfera) não é uma figura desenvol-

vível no plano.

• E se nós “vestirmos” o sólido geométrico curvo com uma superfície desenvolvível

no plano (como um cone ou um cilindro) ou mesmo utilizássemos o próprio plano?

• Dependendo da superfície utilizada, podemos classificar as projeções em:

– Planas (ou azimutais);

– Cônicas;

– Cilíndricas; ou

– Polissuperficiais (Exemplo: policônica, myriahedral etc.).

• Em qualquer uma das projeções acima, sempre haverá deformação para os pontos

que não se encontram no local de toque da superfície plana (ou a ser desenvolvida no plano) com o sólido curvo.

• À medida que se afastam dos locais de contato, as deformações aumentam. Assim,

as projeções azimutais normalmente são utilizadas para pequenas áreas que se deseja representar.

Quanto às propriedades, as projeções cartográficas podem ser classificadas em:

a) Equidistantes

• Para aquelas que preservam comprimentos

b) Conformes

• Para aquelas que preservam ângulos

c) Equivalentes

• Para aquelas que preservam áreas

d) Afiláticas

• NÃO POSSUI quaisquer das propriedades acima.

Observação: as propriedades de equidistância, conformidade e equivalência são mutu-

amente exclusivas. Assim, não existe uma projeção ideal, mas apenas a que melhor atenderá determinado propósito.

• O Sistema de Projeção Universal Transversa de Mercator – UTM é aquele utilizado

pelos órgãos oficiais da Cartografia Brasileira (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – IBGE e Diretoria de Serviço Geográfico do Exército – DSG) para o

mapeamento sistemático do território nacional.

• Trata-se de uma projeção cilíndrica e conforme, ou seja, a figura desenvolvível no

plano para a projeção cartográfica é o cilindro e a propriedade preservada é relati-va a ângulos.

• O cilindro transverso ao eixo de rotação da Terra é secante à superfície curva, pois,

se fosse tangente, haveria apenas uma “linha de toque” entre as duas figuras. Sendo secante, há duas “linhas de toque”.

• No Sistema UTM, o cilindro ocupa 60 posições diferentes, se deslocando de 6° em

6°, definindo um fuso para cada posição ocupada.

• Cada fuso possui uma numeração, que vai de 1 a 60. A origem da numeração dos

fusos é o antimeridiano de Greenwich.

• Todo fuso UTM possui um meridiano central com seu valor único de longitude

(exemplo: fuso UTM n° 23 tem seu meridiano central em 45° W de longitude e suas bordas, portanto, estão definidas entre as longitudes 42° W e 48° W, marcando os 6° de amplitude do fuso)

• Como há duas “linhas de toque” (sobre as quais o fator de escala k = 1), a porção

da superfície curva que ficou entre as linhas secantes deve ter sua escala reduzida (fator de escala no meridiano central k = 0,9996) para que “caiba” em uma região menor do cilindro a fim de ser planificada. Ao contrário, para as regiões de borda,

ocorre ampliação da escala (k > 1).

Sistema de Projeção UTM

• Cada fuso UTM, após planificado, forma um sistema cartesiano em que o eixo ho-

rizontal é a Linha do Equador e o eixo vertical é o meridiano central do fuso consi-derado.

• A origem do sistema cartesiano é o cruzamento dos eixos horizontal (Equador) e

vertical (meridiano central do respectivo fuso).

• No plano cartesiano, as coordenadas não são mais angulares (como a latitude e a

longitude), mas métricas (denominadas E, para o eixo horizontal e N, para o verti-cal).

• A fim de evitar coordenadas negativas dentro de cada fuso, países que possuem a maior porção do seu território no Hemisfério Sul (Brasil) acrescentam 500.000 m e

10.000.000 m, respectivamente, para os valores de E e N da origem.

– Exemplo de localização de ponto no Sistema UTM: ponto P de coordenadas

E = 512.973,92 m e N = 8.786.132,09 m

Um MESMO PONTO da superfície terrestre PODE ter:

a) coordenadas geodésicas DISTINTAS, dependendo do sistema geodésico adota-

do.

b) Coordenadas planas DISTINTAS, dependendo da projeção utilizada e dos parâ-

metros de construção dessa projeção.

Então...

Dica 1: Nunca deixe de mencionar o sistema geodésico quando quiser localizar um ponto

em coordenadas geodésicas;

Dica 2: Nunca deixe de mencionar o sistema de projeção cartográfica e seus principais

parâmetros (incluindo o sistema geodésico!) quando quiser localizar um ponto em coor-denadas planas.

Sobre a Cartografia Sistemática Nacional...

• Cada carta topográfica do mapeamento sistemático possui um ÍNDICE DE NO-

MENCLATURA.

• Esse índice começa com a codificação das cartas ao milionésimo (escala

1:1.000.000).

• A codificação ao milionésimo é composta por uma letra inicial (S ou N, dependendo

se o quadrante estiver no Hemisfério Sul ou Norte, respectivamente); uma segunda letra (A, B, C, D, E, F, G, H, I ao Sul do Equador e A, B ao Norte do Equador) em

que cada letra abrange uma determinada amplitude de 4° de latitude); e o número do fuso correspondente (no Brasil, temos os fusos de numeração 18 a 25).

• À codificação ao milionésimo são agregadas as demais codificações das escalas maiores com outras letras, algarismos romanos, arábicos etc., conforme tabela a

seguir com exemplo de índice de nomenclatura até a escala 1:25.000.

Sobre outros conceitos da Cartografia...

CURVA DE NÍVEL

• Para representar a 3ª dimensão (altitude) em um plano, são utilizadas as CURVAS DE nível. Elas são linhas imaginárias do terreno, em que todos os pontos da refe-

rida linha têm a mesma altitude, acima ou abaixo de uma determinada superfície da referência, geralmente o nível médio do mar.

• Equidistância é o espaçamento, ou seja, a distância vertical entre as curvas de ní-

vel. Essa equidistância varia de acordo com a escala da carta, com o relevo e com a precisão do levantamento.

• Podemos traçar perfis a partir das curvas de nível para estudarmos, por exemplo, a

declividade de uma determinada encosta.

CURVA BATIMÉTRICA

• Ela é, na essência, uma curva de nível. Mas ela é obtida pela técnica de BATIME-

TRIA, através da qual são medidas as profundidades dos oceanos, lagos e rios.

• Assim como a curva de nível, a curva batimétrica é expressa cartograficamente por

linhas que unem pontos de mesma profundidade, observadas as equidistâncias verticais.

Sobre Modelo Numérico do Terreno...

• O Modelo Numérico do Terreno é uma representação matemática computacional

da distribuição de um fenômeno espacial que ocorre dentro de uma região da su-perfície terrestre.

• Dados de altitude (quando o MNT é normalmente denominado de MDE – Modelo

Digital de Elevação ou MDT – Modelo Digital do Terreno), informações geológicas, levantamentos de profundidades de um rio ou do mar, informação meteorológicas e

dados geofísicos e geoquímicos são exemplos típicos de fenômenos representa-dos por um MNT.

• Um MDE muito utilizado em trabalhos de escalas globais e regionais é o proveni-ente da missão SRTM.

• Trata-se de um MDE disponibilizado gratuitamente que foi gerado a partir de um sensor de radar de abertura sintética embarcado em um ônibus espacial americano.

• Valendo-se de técnicas de interferometria, foi gerado um MDE de toda a Terra (ex-ceto para as regiões polares).

• Detalhes do produto podem ser obtidos em http://eros.usgs.gov/#/Find_Data/Products_and_Data_Available/SRTM

Sobre a Cartografia Digital...

• Com a popularização da informática na segunda metade do século passado, surge

a chamada Cartografia Digital.

• Novos termos como CAM (Computer Aided Mapping), CAD (Computer Aided De-

sign), AM/FM (Automated Mapping/Facilities Management) são associados à pro-dução de cartas e mapas em ambiente digital.

• Não se trata de mera mudança de mídia de apresentação (de papel para a tela do

computador), mas de potencialização da análise dos elementos que compõem os mapas e cartas, de suas relações espaciais, de visualização por camadas de te-mas, visualizações tridimensionais... favorecendo, assim, a tomada de decisões

mais rapidamente.

• Os princípios da Cartografia Clássica permanecem na Cartografia Digital.

• Datum Geodésico, projeção cartográfica, eficiência na comunicação visual dos da-dos geográficos etc. devem ser considerados tanto no ambiente analógico quanto

no digital.

• Entretanto, alguns conceitos devem ser adaptados à nova plataforma de trabalho,

como, por exemplo, a “precisão gráfica” e a “escala”.

• Quanto à precisão gráfica (0,2 mm), ela se ampara no documento impresso, ou se-

ja, em uma mídia de escala fixa (desconsiderando, logicamente, as possibilidades de ampliação e redução por fotocopiadoras – ‘xerox’).

• Assim, na Cartografia Digital, todos os elementos do terreno são passíveis de se-

rem representados, pois a escala na nova plataforma é dinâmica.

• Em um programa de computador podemos ampliar (zoom) nosso desenho quantas

vezes desejarmos.

• A grande questão agora não é mais se ‘conseguimos atender à precisão gráfica do

produto’, mas ‘qual é a acurácia do método de aquisição do dado que desejamos inserir na nossa base digital’ e, se precisarmos imprimir o produto final em uma mí-dia estática (papel), ‘qual a maior escala que pode ser atendida com tal acurácia’.

• Outro aspecto da revolução digital para a Cartografia está relacionada à ampliação

do armazenamento de atributos de um elemento gráfico representado na carta.

• Assim, na traço de linha que representa uma estrada pavimentada (que antes da

era digital normalmente saberíamos apenas seu nome e, pelo estilo e cor de seu traçado, que era pavimentada), hoje, podemos armazenar também: o órgão público que é o responsável pelo trecho, fotos, links de internet, nomes dos estabelecimen-

tos comerciais a sua margem e quantas informações quisermos!

• A quantidade de informações agregadas aos elementos gráficos que representam

o mundo real não encontra limites na Cartografia Digital (desde que haja espaço de armazenamento), exigindo-se um sistema (Sistema de Informações Geográficas -

SIG) formado por pessoas, softwares, hardwares... que foque na última função descrita na definição de Cartografia: a utilização da representação do espaço.

• Na Cartografia Clássica, o alvo era a representação dos elementos do mundo real em uma carta ou um mapa. Todo o planejamento, a aquisição dos dados em

campo, a precisão requerida do projeto eram voltados ao desenho das informações geográficas.

• Na Cartografia Digital, o foco está na utilização das geoinformações em si. Elas

até podem formar uma carta, um mapa. Mas sua força está na análise das relações topológicas entre aquelas informações, no armazenamento de atributos em cada elemento representado, no cruzamento de informações de forma ágil, mesmo que seja em uma vasta região de estudo.

1.4 Princípios de Sensoriamento com Ênfase em Recursos Hídricos

O que é Sensoriamento Remoto?

Sensoriamento remoto para observação dos recursos naturais pode ser definido como

sendo a obtenção de dados coletados por instrumentos denominados sensores, sem que haja contato direto com o alvo de investigação. Os sensores remotos captam a radiação eletromagnética refletida ou emitida pelo objeto convertendo-a em sinal elétrico passível de registro e posterior interpretação. (Sabins, 1978).

O Espectro Eletromagnético

O espectro eletromagnético é a distribuição da intensidade da radiação eletromagné-

tica com relação ao seu comprimento de onda. A radiação eletromagnética (REM) é o meio pelo qual a informação é transferida do objeto ao sensor.

O espectro eletromagnético contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infraver-

melho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até aos radiação gama.

Interações possíveis entre Espectro Eletromagnético e os alvos na superfície ter-restre

Razão () entre fluxo de energia eletromagnética refletida (r) por um objeto e fluxo nele incidente (i).

Razão () entre o fluxo transmitido (t) e o fluxo incidente (i) sobre a superfície. Quando ocorre uma mudança na direção do feixe de luz depois de transmitida pelo

objeto, temos o princípio da refração.

Exemplo: Ar Água

Razão () entre o fluxo absorvido (a) e o fluxo incidente (i) sobre a superfície.

O somatório da reflectância, trasmitância e absortância proveniente de determinado a lvo

será igual ao fluxo radiante (taxa de variação de energia ao longo do tempo, medida em Watt) incidente sobre este. Se 1 watt de fluxo radiante incide em determinado objeto, o somatório das três grandezas acima descritas também será igual a 1.

IMPORTANTE

1. A reflectância é a proporção da energia incidente sobre um objeto que é refle-

tida daquele objeto.

2. A reflectância é uma propriedade daquele objeto ou pixel, pois não depende da

intensidade de iluminação;

3. Por ser uma propriedade do objeto, a reflectância será utilizada para desenhar a

assinatura espectral (também chamado padrão espectral) do objeto.

4. Sensores orbitais não medem reflectância; eles medem radiância. Radiância = In-

tensidade radiante por unidade de área normal à fonte, numa dada direção (medida

em Watt por esferorradiano por metro quadrado) (Novo 2010). Radiância pode ser descrita simplificadamente como sinônimo de “brilho”.

5. Radiância aumenta se o Sol está mais alto no céu e diminui se o Sol está mais per-to do horizonte.

6. Portanto, a Radiância não é uma propriedade inerente do objeto sendo imageado pelo sensor orbital; ela depende da intensidade de iluminação.

Por meio de um espectrofotômetro, aparelho que emite REM em comprimentos de on-

das pré-definidos e calcula a razão entre a energia emitida e o total refletido (reflectância) por determinado alvo, podemos desenhar a assinatura espectral deste. No exemplo acima o espectrofotômetro está sendo utilizado para desenhar a assinatura espectral do alvo grama.

Elementos que causam variação na radiância:

1. Estação do ano

2. Latitude

3. Condições atmosféricas

4. Ângulo de elevação solar

Sensores Remotos

Os sensores remotos são os sistemas responsáveis pela conversão da energia proveni-

ente dos objetos em um registro na forma de imagem ou gráfico que permita associar a distribuição da radiância com suas propriedades físicas, químicas, biológicas ou geomé-tricas (Novo, 2010).

Os sistemas sensores podem ser classificados de diferentes maneiras. Quanto à fonte de

energia, os sistemas sensores podem ser classificados em sensores passivos e sensores ativos (Novo, 2010).

Classificação dos Sensores Remotos

PASSIVOS

• Não possuem fonte própria de

radiação.

• Mede radiação solar refletida ou

radiação emitida pelos alvos.

• Ex : Landsat – TM, CBERS-CCD,

QuickBird.

•

ATIVOS

• Possuem sua própria fonte de ra-diação eletromagnética.

• Os radares são sensores remo-tos ativos

Resoluções dos Sistemas

Sensores

Independente do tipo de sensor, ativo ou passivo, todos possuem uma lista de caracterís-

ticas que o definem. São estas características que vão subsidiar os usuários na escolha de um sensor em função o objetivo a ser alcançado em seu estudo, trabalho ou projeto. Dentre todas as características dos sistemas sensores, as primordiais, as que definem sua aplicabilidade, estão as resoluções temporal, espacial, espectral e radiométrica.

RESOLUÇÃO TEMPORAL - Tempo de revisita do sensor a mesma área no espaço geo-

gráfico.

Quanto menor o intervalo de tempo gasto por determinado sensor pra imagear a mesma

área, maior será sua resolução temporal. Exemplos:

• Landsat-TM = 16 dias

• Cbers-CCD= 26 dias (faixa de 113 km)

• Cbers-WFI = 5 dias (faixa de 890 km)

Obs.: Um único satélite pode carregar mais de um sensor imageador, cada um com uma

resolução temporal distinta. Vide exemplo do satélite Cbers ao lado que carrega o sensor WFI e CCD.

RESOLUÇÃO ESPACIAL

• As minúcias que podem ser distinguidas em uma imagem dependem da resolução

espacial do sensor, e representam a menor feição passível de detecção pelo ins-trumento em questão (Novo, 2010).

• Maior resolução = Maior nitidez

• Pixel = Menor área identificável em uma imagem

• Para uma mesma área, quanto menor e mais numerosos forem os pixeis, maior

será a resolução espacial.

• Quanto mais detalhada uma imagem maior será a resolução espacial

RESOLUÇÃO ESPECTRAL

• A resolução espectral é uma medida da largura das faixas espectrais e da sensibi-

lidade do sistema sensor em distinguir entre dois níveis de intensidade do sinal de

retorno. Por exemplo, um sistema sensor que opera na faixa de 0,4 a 0,5 m tem

uma resolução espectral maior que um sensor na faixa de 0,4 a 0,6 m (Novo

2010).

• Poucas bandas largas = baixa resolução

• Muitas bandas estreitas = alta resolução

• Para preparar as curvas no gráfico ao lado, o radiômetro (de laboratório) provave l-mente tinha mais de 500 bandas, cada qual com poucos nanômetros de largura (al-

ta resolução espectral). Entre os sensores exemplificados ao lado, o Landsat_TM é o que possui maior resolução espectral, por possuir o maior número de bandas e as mais estreitas.

COMPARAÇÃO DE SENSORES DE ALTA E BAIXA RESOLUÇÃO ESPECTRAL: Ob-

servem que a assinatura espectral registrada pelo sensor de alta resolução é muito mais detalhada, isto facilita a diferenciação de alvos com resposta espectral semelhante.

RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA

• Habilidade de um sensor em distinguir variações no nível de energia refletida, emi-

tida ou retroespalhada que deixa a superfície do alvo (Novo, 2010). Quanto maior a sua capacidade de discriminar diferenças entre intensidades de sinais provenientes dos alvos, expressa na imagem em níveis de cinza, maior resolução radiométrica.

• Muitos possíveis níveis de cinza = alta resolução

• Poucos possíveis tons de cinza = baixa resolução

• NOAA-AHVRR = 1024 níveis de cinza em cada banda (10 bits por pixel)

• Landsat TM e Spot HRV = 256 níveis de cinza (8 bits)

Landsat MSS = 64 níveis de cinza em cada banda (4 bits)

Sistemas Sensores - LANDSAT

O programa Landsat constitui-se em uma série de 7 satélites desenvolvidos e lançados

pela NASA a intervalos de 3 a 4 anos. O primeiro Landsat entrou em operação 1972 e até finais de 2011 o programa Landsat ainda fornecia imagens atuais do globo terrestre por meio do Landsat 5, vide slide subsequente.

O programa Landsat permitiu, por cerca de 40 anos (1972 a 2011), a aquisição de ima-

gens da superfície terrestre pra atender uma ampla comunidade de usuários, incluindo os setores agrícolas, florestal, entre outros.

A missão do Programa foi proporcionar a aquisição repetitiva de dados multiespectrais

calibrados, para permitir comparação do estado da superfície terrestre ao longo do tempo. Tais dados representam o mais longo e completo registro das superfícies continentais do planeta Terra a partir do espaço, de grande valor para os estudos sobre mudanças globais

(Novo, 2010).

PRINCIPAIS APLICAÇÕES:

1. Acompanhamento do uso agrícola das ter-

ras;

2. Apoio ao monitoramento de áreas de pre-

servação;

3. Atividades energético-mineradoras;

4. Cartografia e atualização de mapas;

5. Desmatamentos;

6. Detecção de invasões em áreas indígenas;

7. Dinâmica de urbanização;

8. Estimativas de fitomassa;

9. Queimadas Secas e inundações;

10. Sedimentos em suspensão nos rios e estuários.

Sistemas Sensores - CBERS

O programa CBERS é fruto da cooperação científica e tecnológica entre Brasil e China na

área espacial. Este programa permitiu, inicialmente, o desenvolvimento e a construção de dois satélites de sensoriamento remoto, com sensores imageadores e um repetidor para o Sistema Brasileiro de Coleta e dados Ambientais (Novo, 2010).

O primeiro satélite da série, o CBERS-1, foi lançado em outubro de 1999. O CBERS-2 foi

colocado em órbita em outubro de 2003. O CBERS-2B foi lançado em 2007 e CBERS-3 e 4 ainda não foram lançados. Na atualidade, junho de 2012, não há satélite CBERS em operação.

Parâmetros orbitais do CBERS:

PRINCIPAIS APLICAÇÕES:

1. Gerenciamento de recursos

terrestres;

2. Desmatamentos e Queimadas;

3. Monitoramento ambiental, par-

ticularmente de florestas, meio físico e hidrologia.

Sistemas Sensores – QuickBird

PRINCIPAIS APLICAÇÕES:

1. Mapeamentos urbanos e rurais que exijam alta precisão dos dados (cadastro, re-

des, planejamento, telecomunicações, saneamento, transportes);

2. Mapeamentos básicos e aplicações gerais em Sistemas de Informação Geográfica;

3. Uso da Terra (com ênfase em áreas urbanas);

4. Estudo de áreas verdes urbanas;

5. Estimativas de colheitas e demarcação de propriedades rurais;

6. Laudos periciais em questões ambientais.

Sistemas Sensores

Sistemas Sensores – Outros sistemas

Os sites do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE

(http://satelite.cptec.inpe.br/home/#) e da empresa ENGESAT http://www.engesat.com.br/?system=news&eid=303) dispõem de informações detalhadas de diversos sensores orbitais destinados ao estudo de atmosfera, hidrosfera e recursos

ambientais do globo terrestre.

Elementos da interpretação visual de imagens

Elementos da interpretação visual de imagens

Tonalidade

Tonalidade = brilho ou nível de cinza

Quanto maior a reflectância maior o brilho e mais claro o objeto. Na imagem TM banda 3

ao lado, consegue-se distinguir o rio Solimões e a área urbana de Manaus, ambos em tons claros, pois a reflectância destes alvos nesta faixa do espectro é muito superior as

das áreas florestadas e do rio Negro. Exemplo clássico de como a tonalidade auxilia a interpretação visual de imagens.

Cor

As imagens obtidas por sensores eletrônicos, em diferentes canais, são individualmente

produzidas em preto e branco. A quantidade de energia refletida pelos objetos vai deter-minar a sua representação nessas imagens em diferentes tons de cinza, entre o branco (quando reflete toda energia) e o preto (quando absorvem toda a energia). Ao projetar e sobrepor essas imagens, através de filtros coloridos, azul, verde e vermelho (cores primá-rias), é possível gerar imagens coloridas. A cor de um objeto vai depender da quantidade de energia por ele refletida, da mistura de cores (segundo o processo aditivo) e da asso-

ciação de cores com as imagens (Florenzano, 2002). Assim sendo, dependendo da asso-ciação de cores, um mesmo alvo, por exemplo, vegetação, pode aparecer alaranjada nu-ma imagem e verde em outra (vide próximo slide).

As imagens coloridas geralmente são formadas pela associação de três bandas de de-

terminado sensor com os três filtros de cores primarias (azul, verde e vermelha) e estas composições podem ser:

Verdadeira cor: as cores são atribuídas às bandas cuja faixa do espetro elas repre-

sentam. Por exemplo, filtro azul na banda 1 do TM (0,45 - 0,52 µm), filtro verde na banda 2 (0,50 - 0,60 µm) e vermelho na 3 (0,63 - 0,69 µm).

Falsa cor: as cores são atribuídas a bandas que representam uma faixa distinta do espec-

tro eletromagnético. A maioria das composições é falsa cor.

Textura

• Padrão de arranjo dos elementos texturais

• Elemento textural = São as menores feições contínuas e homogêneas distinguíveis

numa imagem

• Variação de fina a rugosa

Forma

• Formas geométricas são quase sempre indicativo de intervenção humana.

• Formas assimétricas geralmente são ocorrências naturais

• Forma e cor são muito usadas na interpretação de feições naturais.

Na figura acima a forma redonda coberta por vegetação, cor vermelha, evidencia uma

área de irrigação por pivô central.

Estrutura

Forma regular = Estrutura identi-

ficável

Ex: Loteamento urbano planeja-

do

Forma irregular = Ausência de es-

trutura

Ex: Invasão

Sombra

Influenciada pelo ângulo de elevação solar

Influenciada pela geometria de imageamento

A) Bom analisar comportamento espectral dos alvos.

B) Bom para mapeamento de feições do relevo

Processamento digital de imagens

1. A Interpretação visual é o primeiro passo para a geração de uma série de produ-

tos que podem ser obtidos de imagens orbitais;

2. Existem uma série de ferramentas implementadas em softwares destinados ao

processamento digital de imagens (PDI) que formam um poderoso instrumento a serviço do profissional da geoinformação;

3. Os Softwares tipo PDI mais conhecidos e utilizados no mercado são o ENVI, ER-

DAS e SPRING.

4. Entre as ferramentas mais úteis dos PDI estão as destinadas: ao registro e corre-

ção geométricas, classificação e realce das imagens provenientes dos sistemas sensores.

Registro

• Registro - Refinamento Geométrico de imagens com correção geométrica de

sistema.

• Registro - Relaciona coordenadas de imagem (linha, coluna) com coorde-

nadas de um sistema de referência.

O REGISTRO elimina distorções geométricas sistemáticas introduzidas na etapa de

aquisição das imagens.

EFEITOS DAS DISTORÇÕES GEOMÉTRICAS

Formas de registro de uma imagem:

1. Coleta de pontos de controle em campo através de um GPS. A precisão ne-

cessária vai depender do objetivo do estudo.

2. Coleta de pontos de controle em outra imagem da mesma região com sistema

de referência espacial conhecido.

3. Coleta de pontos de controle em cartas planimétricas da mesma região.

IMPORTANTE: OS PONTOS DE CONTROLE SÃO LOCAIS QUE OFERECEM UMA

FEIÇÃO FÍSICA PERFEITAMENTE IDENTIFICÁVEL E IMUTÁVEL, TAIS COMO CRUZAMENTO DE ESTRADAS, EDIFÍCIOS, PISTAS DE POUSO, CUME DE MON-TANHAS.

Registro Imagem x Imagem

Registro Imagem x Carta

Classificação

1. Classificação é o processo que leva pontos (pixels) ou parte de uma imagem a se-rem atribuídas a uma classe ou conjunto de classes, ou seja, um processo de re-

conhecimento e categorização dos alvos.

2. O resultado de uma classificação para cada ponto (pixel) da imagem é mapeado

para um tema ou classe símbolos ou cores.

3. Os elementos de imagem pertencentes a um mesmo alvo (classe) aparecem plota-

dos como uma nuvem de pontos (aglomerado);

4. Os três aglomerados de pontos definem três diferentes alvos.

Classificação

Tipos de classificadores

Não supervisionado – Nesta classificação os pixels de uma imagem são alocados

em classes, sem que o usuário tenha conhecimento prévio de sua existência. Este procedimento permite que o analista conheça a distribuição de pixels por classes es-pectrais. Estas distribuições são analisadas e comparadas com informações de campo

ou mapas ou dados teóricos sobre o comportamento espectral dos alvos. A classe do terreno à qual pertence cada pixel é, portanto, determinada a posteriori (Novo, 2010).

ETAPAS DA CLASSIFICAÇÃO NÃO SUPERFISIONADA

I. Delimitação do número de classes sem coleta de amostras;

II. Escolha do algoritmo de classificação;

III. Análise do resultado gerado;

IV. Agregação de classes similares;

Definição das classes.

Supervisionado – Esta classificação baseia-se no conhecimento prévio do analista sobre

a localização espacial de algumas amostras de classes de interesse. Ela parte do pres-suposto que cada classe espectral pode ser descrita a partir de amostras fornecidas pelo analista (Novo, 2010).

ETAPAS DA CLASSIFICAÇÃO SUPERFISIONADA

Contraste e realce de imagens

Em condições ideais, um alvo x deveria refletir uma enorme quantidade de energia

em certo comprimento de onda, enquanto alvo y deveria refletir muito menos ener-gia para o mesmo comprimento de onda, mas nem sempre isso acontece, e rotinei-

ramente deparamos com imagem de baixo contraste entre os alvos que a com-põem.

Causas associadas ao baixo contraste: características biofísicas dos materiais, a sensibilidade dos detectores, a atenuação na atmosfera, má iluminação solar e a

própria configuração da cena.

O histograma é uma das formas mais comuns de se representar a distribuição dos

Digital Numbers- DNs (tons de cinza) de uma imagem. Ele fornece a informação sobre quantos pixels na imagem possuem cada valor possível de DN (que, no caso das imagens de 8 bits, variam de 0 a 255) ou, de forma equivalente, qual a propor-ção da imagem que corresponde a cada valor de DN.

Para melhorar o contraste e realçar os distintos alvos que compõe uma imagem modifica-

se o seu histograma por meio da aplicação de uma função de transferência de contraste entre dois eixos (x, y).

Equalização de Histograma

Equalizar o histograma significa obter a máxima variância do histograma de uma

imagem, obtendo assim uma imagem com o melhor contraste,

O histograma da imagem de saída aproxima-se de um histograma uniforme.

Sensoriamento remoto aplicado a recursos hídricos

Qualidade de Águas Costeiras

Fonte: (Brando e Dekker, 2003).

Sensor Hyperion, bandas 490 nm, 670 nm e integração sinal 700 e 740nm, utilizado para

mapeamento da distribuição espacial de componentes na baía de Deception – Austrália

(Figura A). A Figura B ilustra uma distribuição uniforme de clorofila em torno e 4 g/l, a

Figura C evidencia concentração heterogênea de matéria orgânica, o mesmo observado na concentração de sedimentos em suspensão na água (Figura D).

Qualidade de Águas Costeiras

Imagem TM-Landsat5 , 25/10/1999 da lagoa dos Patos – RS. Nela podemos identificar a

água limpa (em preto) e água túrbida (em azul). As áreas de vegetação mais densa apa-recem em verde, as áreas de uso agrícola com formas geométricas e em diferentes cores e a área urbana, em rosa escuro (Florenzano,2002).

Fonte: (Florenzano,2002)

Variação Sazonal das Propriedades da Água

Rudorff (2006) utilizou imagens do sensor Hyperion adquiridas em dois períodos do ciclo

hidrológico (cheia e vazante), para caracterizar as modificações sofridas pela água de diferentes lagos da planície amazônica, em resposta à variação do nível do rio Amazonas (Novo, 2010).

Nos período de vazante observa-se um aumento significativo da concentração de sólidos inorgânicos em suspensão , Figura b, assim como na floração de algas, mancha verde na

Figura d.

Os gráficos de reflectância no canto inferior direito evidencia as feições de absorção e

espalhamento ocasionados pela floração das algas na Figura d.

Estudo da vegetação aquática e extensão de espelho de água de represas

Imagem MSS-Landsat2 de 1978 do Rio Tocantins (a) e TM-Landsat5 de 1988 da mesma

região após a construção da represa de Tucuruí (b) . Na imagem (b) é possível observar, além da represa, em azul escuro, uma grande área desmatada e ocupada em torno dela. Observa-se também macrófitas aquáticas, representadas em diferentes cores de rosa e roxo, dependendo da densidade e diversidade de espécies (c). Na foto (d) é possível identificar pelo menos 4 espécies de macrófitas, recobrindo de forma contínua a água (padrão rosa), enquanto na foto (e) a cobertura vegetal é descontínua com apenas 2 es-

pécies de macrófitas (padrão roxo) (Florenzano,2002).

Em decorrência da enorme capacidade que a água pura possui de absorver quase a tota-

lidade da radiação de uma ampla faixa do espectro eletromagnético, e, consequentemen-te, de acusar matérias nela presentes que aumente sua refletância, existe uma ampla va-riedade de sensores remotos que produzem imagens capazes de discriminar com boa precisão corpos hídricos, sua qualidade, e variações sazonais; ou seja, o sensoriamento remoto é uma das mais poderosas ferramentas para estudo, mapeamento e gestão de recursos hídricos.

Referências Bibliográficas

Novo, Evlyn M. L de Moraes. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. Ed. São

Paulo: Blucher, 2010.

Florenzano, Teresa Gallotti. Imagem de satélite para estudos ambientais. Ed. São Paulo :

Oficina de Textos, 2002.