Sistemas de Informa

1
Sistemas de Informações Geográficas

• Unidade 2 Dados Espaciais
• Prof. Cláudio Baptista
• 2009.1

2
2.1 Cartografia

• Relações interdisciplinares de SIG

Cartografia
SGBD
Sensoriamento Remoto
SIG
CAD
3
2.2 Dados Espaciais

• Dados são observações que fazemos quando
  monitoramos o mundo real
• Dados são coletados como fatos que viram
  informação
• Dados tornam-se informação quando colocamos um
  contexto,
• Exemplo numa imagem de satélite precisamos saber
  a semântica dos dados, escala ou medida de unidade

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2.2 Dados Espaciais

• Dados têm três dimensões
• temporal
• registra quando aconteceu
• Ex. 14 de fevereiro de 1995
• temático
• registra o quê aconteceu
• Ex. acidente de vazamento de petróleo
• espacial
• registra onde aconteceu
• Ex. Bacia de Campos RJ
• Ex. Mapa do Metrô de Londres
• http//www.tfl.co.uk/tube

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Porquê mapas?

• O espaço geográfico é muito grande quando
  comparado a outros espaços (ex. Um carro)

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Mapas - Definições

• São abstrações simplificadas ou modelos da
  realidade, no qual o espaço geográfico é
  representado pelo mapa.
• São métodos tradicionais de armazenamento,
  análise e apresentação de dados espaciais
• São as formas que usamos para representar a forma
  que pensamos o espaço em duas dimensões.
• Um mapa é uma representação e projeção reduzida e
  simplificada de (partes de) superfície da terra
  num plano.
• Uma ferramenta para descrever informação
  geográfica de forma visual, digital ou tátil.

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Mapas

• O layout espacial de um mapa permite os usuários
  ver
• Padrões espaciais
• Relacionamentos espaciais
• Tendências espaciais

8
Mapas

• Coisas invisíveis podem se tornar visíveis

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Mapas Representações abstratas da realidade

• Simplificada
• Nem todos objetos da imagem são representadas
• Classificada
• Objetos são classificados em ruas, casas,etc.
• Simbolizada
• Objetos são representados por linhas, áreas e
  pontos.

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Mapas

• 2-D flat
• 3-D acrescente altitude
• 4-D acrescenta animação(tempo)

11
Mapas
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Papel dos mapas

• Prover informações sobre geodata suportando
• Exploração visual de dados desconhecidos
• Análise de dados
• Apresentação (map output)

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Mapas como ferramentas de busca
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Mapas

• Podem ser classificados como
• temático
• mostram dados relativos a uma tema particular
• Ex. solo, geologia, uso da terra, população,
  transporte
• topográfico
• contêm um conjunto de dados diversos em
  diferentes temas.

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Mapas

• Mapas têm uma orientação (por default o Norte).
• Utiliza-se da rosa dos ventos para indicar esta
  orientação

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Mapas

• Uma outra forma de orientação se dá através de
  rumos e azimutes de um alinhamento
• O Azimute de um alinhamento é o menor ângulo no
  sentido horário entre a linha Norte-Sul e um
  alinhamento qualquer (entre 0 e 360)
• O Rumo é o menor ângulo entre a linha Norte-Sul e
  um alinhamento qualquer (0 a 90).

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Processo de Geração de Mapas

• Estabelecer o propósito do mapa
• Definir a escala que será usada
• Selecionar as feições (entidades espaciais) do
  mundo real que serão colocadas no mapa
• Escolher um método para a representação destas
  feições (pontos, linhas, áreas)
• Generalizar estas feições para representação em
  2-D

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Processo de Geração de Mapas

• Adotar uma projeção de mapa para colocar as
  feições no plano.
• Aplicar um sistema de referência espacial para
  localizar as feições com relação as outras
• Anotar o mapa com chaves, legendas e texto para
  facilitar o uso do mapa

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Propósito de um mapa

• Mapas têm um propósito (Ex. Propaganda, Mapa de
  uma nação)
• A qualidade dos dados depende do propósito
• Ex. Mapa do HP ski resort para ser usado pelos
  clientes
• localização das trilhas de esqui
• estacionamentos
• hotéis
• socorro em caso de emergência
• mapas dos teleféricos, bondes, etc.

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Escala

• Virtualmente todas as fontes de dados espaciais
  são menores do que a realidade que elas
  representam
• A escala indica quão menor que a realidade é um
  mapa
• é a razão entre a distância do mapa e a
  correspondente distância na terra.

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Escala

• É expressa de três formas
• um quociente (15.000 15.000.000)
• verbalmente (1 cm representa 50m)
• graficamente (ícones usados em mapas
  computadorizados
• Terminologia
• escala pequena (1250.000, 11.000.000) cobrem
  áreas grandes
• escala grande (110.000, 125.000) cobrem áreas
  pequenas com muito detalhes

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Escala
A função da linha de escala (escala gráfica) é
converter graficamente medidas do mapa em
medidas na terra!
23
Escala
24
Problema escala traz distorções

• Qual a distância de P1 para P2?

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Entidades espaciais (feições)

• Tradicionalmente, mapas são usados para
  representar elementos do mundo real
• Símbolos espaciais básicos são ponto, linha e
  área.
• A escolha de um destes símbolos para representar
  uma entidade espacial depende da escala.
• Exemplo cidades representadas num mapa
• num mapa mundi pontos poderiam ser adotados
• num mapa regional áreas seriam adotadas
• num mapa local pontos, linhas e áreas

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Generalização

• Dados espaciais são uma generalização ou
  especialização das feições do mundo real
• Dependendo da escala generalização é necessária
  para mostrar as feições que podem aparecer
  naquela escala
• Em outros casos, generalização é usada para
  melhorar a qualidade de uma imagem
• A idéia básica é representar as feições mantendo
  a claridade.

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Generalização procedimentos

• Seleção
• seleção das feições para generalização.
• Simplificação
• simplificar a feição
• Relocar
• relocar feições que estão sobrepostas ou
  contíguas
• Suavização
• acabamento na feição para uma melhor apresentação

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OverlaySobreposição de Camadas
29
OverlaySobreposição de Camadas
30
Legendas
31
Legendas
32
Ícones
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Aproximação Zoom in
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Aproximação Zoom in
35
Afastamento Zoom out
36
Formas de Zooming in out
Slider
Seleção de área
Botões
37
Pan Navegação
Botões de navegação
38
Pan Navegação
Janela de Overview
39
Pan Navegação
Arrastando o mapa com o mouse
40
Seleção de um objeto no Mapa
41
Infotip
42
Infotip - Multicamadas
43
Rótulos - Labels
44
Distância
45
Área
46
Área
47
Informação
48
Busca
49
Consulta Textual
50
Consulta Textual
Marcam quais são os objetos que serão destacados
no mapa
Resultado da consulta no mapa
51
Consulta Textual
52
Cartografia básica

• Motivação
• Sempre, na história, o espaço teve um destaque
  especial
• Passado As grandes navegações (Cabral e
  Colombo), a ida do homem à Lua
• Presente A descoberta do espaço (teve vida em
  Marte? Robôs em Marte coletando informações)
• Futuro A conquista do espaço (ida de humanos à
  Marte, previsto pela NASA para 2035)

53
Cartografia básica

• A forma da Terra
• Na antiga Grécia já se pensava que a Terra era
  esférica e se tentava calcular sua circunferência
• Por volta de 200 a.C., Eratóstenes conseguiu
  precisão no cálculo
• Percebeu que num dia de verão no Hemisfério
  norte, em Siena ao meio-dia os raios do sol
  iluminavam todo o fundo de um poço vertical.
  Nesta mesma data em Alexandria (cidade mais ao
  norte), viu que os raios solares estavam
  inclinados no fundo de outro poço.
• Então ele realizou um experimento com uma estaca
  nas duas cidades ao mesmo tempo e percebeu que
  uma não tinha sombra (meio-dia) e que a outra
  apresentava uma sombra no terreno (com ângulo de
  7º12)
• Então ele calculou a distância entre as duas
  cidades e conseguiu através de regra de três a
  circunferência da Terra (com erro de 10)
• 7º12 -gt 5.000 estádios
• 360º -gt X gt X 250.000 estádios (46.250.000
  metros)
• O valor da circunferência é 41.700 KM

54
Cartografia básica

• A forma da Terra
• Posteriormente houve um retrocesso na Cartografia
  pois chegou-se a imaginar que a terra era um
  disco.
• Alguns indícios retomaram a idéia da esfera
• Um navio parece perder suas partes ao afastar-se
  no horizonte
• A Estrela Polar aparentemente move-se em relação
  ao observador conforme deslocamento norte-sul
  deste
• A projeção da sombra da Terra na Lua no decorrer
  dos eclipses

55
Cartografia básica

• A forma da Terra
• No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer
  observou na Guiana Francesa
• Um relógio com pêndulo de 1m, atrasava cerca de 2
  minutos e meio por dia em relação a Paris.
• Fazendo análise gravitacional, percebeu que, na
  zona equatorial a distância entre a superfície e
  o centro da Terra deveria ser maior do que esta
  distância medida dos Pólos, conclusão
• A terra NÃO seria uma esfera perfeita e sim
  achatada. gt Surge então o Elipsóide!!!
• Diâmetro equatorial 12.756Km e diâmetro do eixo
  de rotação 12.714km, com diferença de 42km, o
  que representa um achatamento de perto de 1/300,
  por isso, a terra vista do espaço assemelha-se a
  uma esfera.

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Terra Esfera versus Esferóide

• Esfera definida pelo raio R 6.370.997 m numa
  área de aproximadamente 520 M Km2
• Esferóide definida por
• semi-major axis (a) e semi-minor axis (b)
• WGS 84 (padrão dos USA)
• a 6.378.137 e b 6.356.752,3142
• Clarke 1866 (padrão histórico no US)
• a 6.378.205,4 e b 6.356.583,8

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Terra Esfera versus Esferóide
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Projeções

• Localizamos as feições da terra num plano 2-D
  (mapa)
• Mundo é esférico e mapa é 2-D
• Portanto, precisamos de uma projeção de mapa, que
  transfere a terra esférica no mapa num plano
• Este processo introduz erros nos dados espaciais

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Projeções

• Existem várias projeções que são adotadas de
  acordo com o local e que minimizam estes erros
• Exemplo Algumas projeções preservam as
  distâncias entre as entidades em detrimento da
  direção
• Em outras,a forma é preservada em detrimento da
  acurácia na área
• Se colocarmos uma lâmpada dentro de uma bola que
  tem o desenho da terra, e projetarmos a luz numa
  parede, veremos que a parte central da imagem é
  melhor representada

60
Projeções

• Distorção de projeção ocorre em
• Forma, área, distância ou direção
• Projeções diferentes produzem distorções
  diferentes.
• As características de cada projeção torna-as
  úteis para algumas aplicações e não-úteis para
  outras.

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Projeções

• Tipos
• Conformal preservam a forma de regiões pequenas
  (nenhuma projeção consegue preservar formas de
  regiões grandes)
• Equal-area preserva a área das feições (forma,
  ângulo e escala podem estar distorcidos)
• Equidistant preserva distâncias entre certos
  pontos.
• True-directions preserva a direção entre objetos.

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Projeções

• Cilíndrica
• (mercator) a superfície da terra é projetada num
  cilindro que envolve o globo.
• Imagem contínua da terra
• Países perto do equador têm verdadeiras posições
  relativas
• A visão dos pólos é bastante distorcida
• Área é preservada em grande parte
• Mantém escala, forma, área para pequenas áreas.

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Projeção Cilíndrica
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Projeções

• Azimuthal
• Projeção num plano
• Apenas parte da superfície da terra é visível
• A visão será metade do globo ou menos
• Distorção ocorre nos quatro cantos do plano
• Distância é preservada na maior parte

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Projeção Azimuthal
66
Projeções

• Cônica
• a superfície da terra é projetada num cone que
  envolve o globo.
• Área é distorcida
• Distância é muito distorcida quando se move para
  baixo da imagem
• Escala é preservada na maior parte da imagem

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Projeção Cônica
68
(No Transcript)
69
Projeções

• Mapas usados em SIG têm uma projeção associada a
  eles
• É importante usar uma determinada projeção de
  acordo com a localização e o propósito do mapa
• Ex. se uma aplicação de SIG requer acurácia no
  cálculo das áreas, usando uma projeção que
  distorce áreas não é indicado
• A maioria dos SIGs permite reprojetar um mapa em
  outra projeção (fazendo mapeamento entre as
  centenas de projeções existentes)

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Sistema de Coordenadas

• Divide-se a terra em hemisférios
• norte e sul (acima e abaixo da linha do Equador)
• Ocidental e oriental (à esquerda e à direita do
  Meridiano de Greenwich)
• Meridiano é cada um dos círculos máximos que
  cortam a Terra em duas partes iguais e passam
  pelos pólos Norte e Sul e cruzam-se entre si
  nestes pontos (semelhante aos gomos de uma
  laranja)
• Paralelo representa cada círculo que corta a
  Terra perpendicularmente em relação aos
  meridianos. Semelhante a corte horizontais feitos
  numa laranja.
• Obs o Equador é o único paralelo tido como
  círculo máximo.

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Sistema de Coordenadas

• Coordenadas geográficas
• latitude e longitude
• longitude (ou meridianos) começam num pólo e vão
  em direção ao outro pólo formando semi-círculos.
• O meridiano de Greenwich na Inglaterra é o centro
  e é conhecido como meridiano de Greenwich ou
  Meridiano Primo.
• Linhas de longitude estão mais afastadas na linha
  do equador e mais próximas nos pólos

72
Sistema de coordenadas

• A distância relativa entre linhas de longitude
  onde elas interceptam com linhas de latitude é
  sempre igual.
• Entretanto, a distância real variará dependendo
  da linha de latitude que é interceptada.
• Exemplo a distância entre linhas de longitude
  crescerá à medida que se aproxima do equador

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Sistema de Coordenadas

• Latitude são linhas perpendiculares às linhas de
  longitude, paralelas uma das outras
• Cada linha representa um círculo ao redor do
  globo
• Cada círculo terá uma circunferência e área
  diferentes dependendo da distância com relação
  aos pólos
• O círculo com maior circunferência é conhecido
  como linha do equador (ou paralelo central) e
  está equidistante dos dois pólos.
• Nos dois pólos as linhas de latitude são
  representadas por um único ponto - o pólo

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Sistema de Coordenadas

• Usando latitude e longitude qualquer ponto na
  superfície terrestre pode ser localizado por meio
  de graus, minutos e segundos (visto que latitude
  e longitude são medidos em ângulos)
• Latitude varia de -90 º a 90 º ( ou 90 º N e
  90 ºS (usa-se a letra grega ?)
• Longitude varia de -180 º a 180 º (ou 180 ºW
  (oeste) e 180 ºE (leste) (usa-se a letra grega ?)
• Exemplo Moscou (55º37N, 36 º0E)
• latitude 55 graus e 37 minutos ao Norte do
  Equador
• longitude 36 graus à leste (East) de Greenwich

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Sistema de Coordenadas

• Latitude de um ponto é a distância angular entre
  o plano de Equador e um ponto na superfície da
  terra unido perpendicularmente ao centro do
  planeta.
• Latitude é representada pela letra grega fi (?)
• É dado em grau, minuto e segundo

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Sistema de Coordenadas

• Longitude é o ângulo formado entre o ponto
  considerado e o meridiano de Greenwich.
• Longitude é representada pela letra grega lambda
  (?)
• É dado em grau, minuto e segundo

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Latitude e Longitude
78
Latitude e Longitude

• Dois pontos numa mesma linha de longitude e
  separados por um grau de latitude estão
  distantes
• 1 grau de latitude representa 1/360 da
  circunferência da terra cerca de 111km
• 1 minuto de latitude corresponde a 1,86 KM que
  também define 1 milha náutica
• 1 segundo de latitude corresponde a 30 metros

79
Latitude e Longitude

• Distância entre dois pontos
• É dada como a menor distância entre dois grandes
  círculos que passam pelos pontos a serem medidos
• Um grande círculo é um círculo que passa pelo
  centro da terra (o meridiano de Greenwich e linha
  do Equador são grandes círculos, linhas de
  latitude, exceto o Equador não são grandes
  círculos (são conhecidos como pequenos círculos)

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Latitude e Longitude

• Distância entre dois pontos
• Desta forma o comprimento deste arco entre dois
  pontos de dois grandes círculos numa terra de
  raio R é dado por
• Rcos-1sen?1sen?2 cos ?1cos ?2cos(?1 -
  ?2)
• Ex. A distância de um ponto no Equador a
  longitude 90E (no oceano índico entre Sri Lanka e
  Sumatra) e o Pólo Norte é aplicar a esta equação
  acima os valores ?10, ?190 ?290, ?290, com
  raio R6378Km é 10.018Km (ou perto de 10.000km).
• Obs. A França originalmente definiu o sistema
  métrico no século 18 como 1/10.000.000 da
  distância do Equador ao Pólo Norte.

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Projeção Mercator

• Transforma latitude/longitude em coordenadas
  (x,y) no sistema cartesiano
• Trabalha com meridianos retos e equidistantes e
  paralelos retos.
• Cada projeção de mapa pode ser representada como
  um par de função matemática x f(? ,?), e yg(?
  ,?)
• A projeção Mercator usa as funções
• x ? e y ln tan?/2 ?/4
• Para inverter para lat/long ? x e ? 2
  tan-1 e y - ?/2

82
Referência Espacial

• Sistemas de coordenadas geográficas assumem que a
  terra é uma perfeita esfera, o que é incorreto.
• Para projetar a esferóide que representa a terra,
  podemos usar um sistema de coordenadas cartesiano
• Para tanto, criamos um grid que é colocado sobre
  o mapa.
• O grid é obtido da projeção das linhas de
  latitude e longitude da representação global
  sobre uma superfície plana, usando uma projeção
  de mapa

83
Referência Espacial Exemplo de Projeções

• Mercator

84
Referência Espacial

• Há portanto distorções na projeção anterior.
  Portanto, os sistemas de coordenadas cartesianas
  são indicados para regiões específicas.
• Exemplo, a Inglaterra usa esta idéia, chamada de
  Ordnance Survey National Grid system, que se
  utiliza da projeção Mercator. Este grid é 700 X
  1300 Km e cobre toda a Grã-Bretanha. É dividido
  em 500km quadrados, que são por sua vez divididos
  em 25 x 100 km quadrados. Cada 100 Km quadrados é
  identificado por 2 letras. A primeira refere-se
  ao 500km2 e a segunda ao 100 km2. Cada 100 km2 é
  dividido em 100 x 10km2 e cada 10 km2 é dividido
  em 100 X 1 km2.

85
Referência Espacial - UTM

• Outro exemplo é o UTM - Universal Transverse
  Mercator grid system que usa a projeção Mercator
  e divide a terra em 60 zonas verticais(fusos) que
  têm 6 º de longitude de largura.
• UTM usa uma projeção cilíndrica, transversal e
  secante ao globo terrestre. (é transversal pois a
  projeção é análogo à colocar um cilindro
  envolvendo o globo secante aos polos ao invés do
  Equador.
• Os limites de mapeamento são os paralelos 80S e
  84N, a partir dos quais usa-se uma projeção
  estereográfica polar.
• UTM adota coordenadas métricas (plano-retangulares
  ) com informações específicas que aparecem nas
  margens das cartas (mapas) acompanhando um grid
  de quadrículas planas.
• UTM é conformal de forma a preservar forma e
  escala.

86
Referência Espacial - UTM

• O cruzamento do equador com o meridiano padrão
  específico, denominado Meridiano Central (MC) é a
  origem deste sistema de coordenadas.
• Os paralelos e meridianos numa zona UTM são
  curvados com exceção do meridiano central e do
  equador que são retos.
• As coordenadas UTM são definidas em metros e
  estão de acordo com o Meridiano central.
• O valor do MC é sempre 500.000m (portanto Easting
  varia de 0 a 1.000.000m.
• No hemisfério norte o Equador é a origem de
  Northing (0m). Então um ponto em Northing
  5.000.000m está a 5.000Km do Equador.
• No hemisfério sul o Equador tem um Northing de
  10.000.000m, então todos os outros Northing neste
  hemisfério tem um valor menor que o Equador.

87
UTM
88
Referência Espacial

• UTM
• O fato das coordenadas UTM serem em metros
  facilita o cálculo preciso de distâncias (curtas)
  entre pontos e áreas.
• Na verdade UTM é um conjunto de 60 projeções.
  Portanto, mapas de zonas diferentes tendem a não
  se encontrarem nas bordas das zonas.
• Coordenadas UTM são fáceis de reconhecer pois
  consistem de 6 dígitos(inteiro) Easting e 7
  dígitos inteiros Northing.

89
Referência Espacial Exemplo de Projeções

• UTM

90
Referência Espacial Exemplo de Projeções

• Lamberth Azimuthal

91
Referência Espacial Exemplo de Projeções

• Lamberth Azimuthal Cônica

92
Referência Espacial Exemplo de Projeções

• Comparando Projeções

93
Datum

• translada esferóide (origem) para obter a melhor
  precisão para um determinada área
• a origem da esferóide nem sempre é a origem da
  terra
• um bom match num lugar mal match em outro
  lugar
• Datum é um conjunto de parâmetros definindo um
  sistema de coordenadas e um conjunto de pontos de
  controle cujos relacionamentos geográficos são
  conhecidos através de medidas ou cálculos.
• Existem muitos Datums em uso hoje, para uma lista
  de alguns veja http//www.colorado.edu/geography/g
  craft/notes/datum/edlist.html

94
Datum
(DOD) 1. A reference surface consisting of five
quantities the latitude and longitude of an
initial point, the azimuth of a line from that
point, and the parameters of the reference
ellipsoid. 2. The mathematical model of the
earth used to calculate the coordinates on any
map. Different nations use different datums for
printing coordinates on their maps. The datum is
usually referenced in the marginal information of
each map.
95
Datum
96
Referência Espacial

• Outras considerações sobre referência espacial
• As entidades espaciais podem ser móveis
• Entidades espaciais podem mudar (uma rua foi
  relocada)
• Um mesmo objeto pode ser referenciado em formas
  diferentes formas. (pontos e áreas em diferentes
  escalas)

97
Referência Espacial

• Georeferenciamento é usado para localizar uma
  feição na superfície da terra ou num mapa.
• Ex. Av. Aprigio Veloso, 882, Bodocongó, Campina
  Grande, PB, Brasil.
• Problemas
• Existem um mesmo nome para diferentes locais
  (London UK e London, Canada), nos EUA existem 18
  cidades chamadas Springfield, no UK há 9 cidades
  Whitchurches)
• Existem diferentes nomes para um mesmo local
  Pequim e Beijing na China
• Ver artigo de Luis Fernando Veríssimo

98
Referência Espacial

• Formas de georeferenciamento
• Nomes de lugares
• Ex. London, Ontario, Canadá
• Endereços Postais
• Ex. Rua das Flores, Cidade Nova, Brasil
• Códigos Postais
• Ex. CEP 58.109-970
• Área de telefone
• Ex. 083
• Sistema de Referência Linear
• Ex. KM 80 da BR 230
• Latitude/longitude
• Ex. 80E, 78N
• Universal Transverse Mercator
• Ex. Zone 21 550863E e 7521076N