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Dado Vetorial

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Objetivos:

Entendendo os modelos de dados vetoriais usados em SIG.

Palavras chave:

Vetor, ponto, polígono, vértice, geometria, escala, qualidade de dado, simbologia, fontes de dados

Visão geral

O dado Vetorial constitui uma maneira de representar elementos do mundo real dentro do ambiente GIS. Um elemento é qualquer coisa que você possa ver na paisagem. Imagine que você está no topo de uma colina. Olhando para baixo você pode ver casas, estradas, árvores, rios e assim por diante (veja Figuras de Paisagem). Cada uma dessas coisas podem ser um elemento quando nós às representamos em um aplicativo SIG. Elementos vetoriais possuem atributos, que consistem em texto ou informação numérica que descrevem os elementos.

Figure Landscape 1:

../../_images/landscape.jpg

Olhando sobre uma paisagem você pode ver as principais características, tais como estradas, casas e árvores.

Um elemento vetorial tem sua forma representada usando uma geometria. A geometria é constituida por um ou mais vértices interligados. Um vértice descreve uma posição no espaço utilizando um X, Y e opcionalmente um eixo Z. Geometrias que possuem vértices com um eixo “Z” são muitas vezes referidas como 2.5D, uma vez que descrevem a altura ou a profundidade em cada vértice, mas não ambos.

Quando a geometria de uma feição consistem em um único vértice, esta é referida como uma feição de ponto (veja a ilustração figure_geometry_point). Quando a geometria consiste em dois um mais vértices e o primeiro e último vértice não são iguais, uma feição de linha é formada (veja a ilustração figure_geometry_polyline). Quando três ou mais vértices estão presentes, e o último vértice é igual ao primeiro, um polígono fechado é formado (veja a ilustração figure_geometry_polygon).

Figure Vector Geometries 1:

../../_images/point_feature.png

Um elemento de ponto é descrito por sua coordenada X, Y e opcionalmente Z. Os atributos do ponto o descrevem, por exemplo, se este é uma árvore ou um poste de luz.

Figure Vector Geometries 2:

../../_images/polyline_feature.png

Uma linha é uma sequência de vértices unidos. Cada vértice possui uma coordenada X, Y (e opcionalmente uma coordenada Z). Os atributos descrevem a linha.

Figure Vector Geometries 3:

../../_images/polygon_feature.png

Um polígono, assim como uma linha, é uma sequencia de vértices. No entanto, em um polígono, o primeiro e o último vértice estão sempre na mesma posição.

Olhando novamente para a imagem da paisagem que mostramos mais acima, você é capaz de ver os diferentes tipos de elementos da maneira em que o SIG os representa agora. (veja a ilustração figure_geometry_landscape).

Figure Landscape 2:

../../_images/landscape_geometry.jpg

Elementos da paisagem como nós poderíamos apresentá-los em um SIG. Rios (azul) e estradas (verde) podem ser representados como linhas, arvores como pontos (vermelho) e casas como polígonos (branco).

Feições de ponto em detalhes

A primeira coisa que precisamos entender quando falamos de feições de ponto é que o que descrevemos em ponto em um SIG é uma questão de opinião, e muitas vezes dependente da escala. Vamos olhar para as cidades, por exemplo. Se você tem um mapa em escala pequena (que cobre uma grande área), pode fazer sentido representar uma cidade usando feições de ponto. Porém, se você aumentar o zoom no mapa, movendo-se para uma escala maior, isso fará ter mais sentido apresentar os limites da cidade como um polígono.

Quando você opta por usar pontos para representar uma feição é, na maioria das vezes, uma questão de escala (quão longe você está da feição), conveniência (isto leva menos tempo e esforço para criar feições de ponto do que feições de polígono), e o tipo da feição (algumas coisas como, como uma cabine de telefone, apenas não fazem sentido serem armazenadas como polígonos).

Assim como mostramos na ilustração figure_geometry_point, uma feição de ponto possui valores de X, Y e opcionalmente Z. Os valores para X e Y irão depender do Sistema de Referencia de Coordenadas (SRC) que está sendo usado. Nós vamos entrar em mais detalhes sobre sistemas de referência de coordenadas em um tutorial mais tarde. Por ora, vamos simplesmente dizer que um SRC é uma maneira de descrever com precisão onde um determinado lugar é na superfície da Terra. Um dos sistemas de referência mais comum é Longitude e Latitude. Linhas de Longitude vão do Polo Norte ao Polo Sul. Linhas de Latitude vão de Leste a Oeste. Você pode descrever exatamente onde você está em qualquer lugar na Terra, dando a alguém sua Longitude (X) e Latitude (Y). Se você fizer uma medição semelhante para uma árvore ou um poste de telefone e marcar em um mapa, você terá criado uma feição de ponto.

Como sabemos que a terra não é plana, muitas vezes é útil adicionar um valor Z para uma feição de ponto. Isso descreve o quão acima do nível do mar você está.

Feições de linha em detalhes

Onde uma feição de ponto possui um único vértice, uma linha possui dois ou mais vértices. A linha é um caminho contínuo traçado através de cada vértice, como apresentado na figure_geometry_polyline. Quando dois vértices são unidos, uma linha é criada. Quando mais de dois vértices são unidos, eles formam uma ‘linha de linhas’, ou uma linha.

Uma linha é usada para representar geometrias de feições lineares como estradas, rios, contornos, trilhas, rotas de voo e assim por diante. Algumas vezes temos regras especiais para as linhas além de sua geometria básica. Por exemplo, linhas de contorno podem tocar (ex. em um penhasco) mas nunca devem cruzar entre si. Similarmente, linhas usadas para apresentar uma rede de estradas devem ser conectadas nas interseções. Em alguns aplicativos de SIG você pode definir regras especiais para um tipo de feição (ex. estradas) e o SIG irá garantir que estas linhas sempre obedeçam a estas regras.

Se uma linha curvada possuir grandes distâncias entre vértices, esta poderá aparecer angular ou irregular, dependendo da escala que está sendo vista (veja figure_polyline_jagged). Por isso é importante que as linhas sejam digitalizadas (capturadas no computador) com distâncias entre vértices pequenas o suficiente para a escala a qual você pretende usar os dados.

Figure Polyline 1:

../../_images/jagged_polyline.png

Linhas vistas em uma escala pequena (1:20.000 para a esquerda) podem aparecer suave e curvada. Quando aplicamos zoom para uma escala grande (1:500 para a direita) as linhas podem se apresentar bastante angulares.

Os atributos de uma linha descrevem suas propriedades ou características. Por exemplo, uma linha de estrada pode ter atributos que descrevem se esta possui revestimento com cascalho ou asfalto, quantas pistas esta possui, se é uma pista de mão única, e assim por diante. O SIG pode usar esses atributos para simbolizar a feição de linha com uma cor ou estilo adequado.

Feições de polígono em detalhes

Feições de polígono são áreas fechadas como represas, ilhas, limites de um país e assim por diante. Como as feições de linhas, os polígonos são criados a partir de uma série de vértices que são conectados por uma linha contínua. No entanto, porque um polígono descreve sempre uma área fechada, o primeiro e o último vértice devem sempre estar no mesmo lugar! Polígonos muitas vezes possuem geometria compartilhada –– limites que são em comum com um polígono vizinho. Muitos aplicativos de SIG possuem a capacidade de assegurar que os limites de polígonos vizinhos coincidam exatamente. Nós iremos explorar isso no :ref:`gentle_gis_topology`tópico mais adiante neste tutorial.

Assim como pontos e linhas, polígonos possuem atributos. Os atributos descrevem cada polígono. Por exemplo, uma represa pode ter atributos para profundidade e qualidade da água.

Dados vetoriais em camadas

Agora que já descrevemos o que é um dado vetorial, vamos dar uma olhada em como os dados vetoriais são geridos e utilizados em ambiente SIG. A maioria dos aplicativos SIG agrupam feições vetoriais em camadas. As feições em uma camada possuem o mesmo tipo de geometria (ex. todas serão pontos) e os mesmos tipos de atributos (ex. informação sobre qual espécie é uma árvore em uma camada para árvores). Por exemplo, se você gravou as posições de todos os caminhos da sua escola, eles costumam ser armazenados juntos no disco rígido do computador e mostrado no SIG como uma única camada. Isto é conveniente porque permite ocultar ou mostrar todos os recursos para essa camada em seu aplicativo SIG com um único clique do mouse.

Editando dados vetoriais

O aplicativo SIG permitirá que você criar e modificar os dados de geometria em uma camada –– um processo chamado digitalização –– o que vamos olhar mais de perto mais tarde em um tutorial. Se uma camada contém polígonos (ex. açudes), o aplicativo SIG irá somente permitir que você crie novos polígonos nesta camada. Da mesma forma, se você quiser alterar a forma de uma feição, o aplicativo só irá permitir que você faça isso se a forma alterada estiver correta. Por exemplo, isso não permitirá que você edite uma linha de forma que esta tenha apenas um vértice –– lembre-se de nossa discussão acima sobre linhas onde todas as linhas devem possuir pelo menos dois vértices.

Criar e editar dados vetoriais são uma importante função em um SIG, sendo que essa é uma das principais maneiras em que você pode criar dados pessoais para as coisas que você está interessado. Digamos, por exemplo, que você está monitorando a poluição em um rio. Você poderia usar o SIG para digitalizar todos os emissários de esgotos de águas pluviais (como feição de ponto), você também pode digitalizar o próprio rio (como uma feição de linha), e finalmente você poderá efetuar análises dos níveis de pH ao longo do curso do rio e digitalizar os lugares onde você fez essas leituras (como feições de ponto).

Além de criar seus próprios dados, há uma grande quantidade de dados vetoriais gratuito que você pode obter e usar. Por exemplo, você pode obter dados vetoriais de cartas topográficas a partir do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).

Escala e dados vetoriais

A escala do mapa é um importante problema a ser considerado quando trabalhamos com dados vetoriais em um SIG. Quando os dados são capturados, geralmente são digitalizados a partir de mapas existentes, ou tomando informações de registros topográficos e dispositivos de sistema de posicionamento global. Mapas possuem diferentes escalas, por isso, se você importar dados vetoriais a partir de um mapa em um ambiente SIG (por exemplo digitalizando mapas em papel), os dados vetoriais digitais terão os mesmos problemas de escala que o mapa original. Este efeito pode ser visto na ilustração figure_vector_small_scale e figure_vector_large_scale. Muitos problemas podem surgir devido a má escolha da escala do mapa. Por exemplo, usando o dado vetorial da ilustração figure_vector_small_scale para planejar a conservação de zonas úmidas pode ocorrer que partes importantes do pantanal seja deixado de fora da reserva! Por outro lado, se você está tentando criar um mapa de uma região, usando dados capturados em 1:1.000.000 pode ser suficiente e você economizará muito tempo e esforço na captura dos dados.

Figure Vector Scale 1:

../../_images/small_scale.png

Dados vetoriais (linhas vermelhas) digitalizados a partir de um mapa de escala pequena (1:1.000.000).

Figure Vector Scale 2:

../../_images/large_scale.png

Dados vetoriais (linhas verdes) digitalizados a partir de um mapa de escala grande (1:50.000).

Simbologia

Quando você adiciona camadas vetoriais para a vista em um aplicativo de SIG, elas serão desenhadas com aleatórias cores e símbolos básicos. Uma das grandes vantagens de usar um SIG é que você pode criar mapas personalizados muito facilmente. O programa de SIG irá deixar você escolher as cores de acordo com o tipo do objeto (ex. você pode dizer para desenhar corpos d’água em uma camada vetorial azul). O SIG também irá permitir que você ajuste o símbolo usado. Então, se você tem uma camada de árvores em ponto, você pode mostrar cada posição da árvore com uma pequena imagem de uma árvore, ao invés do marcador básico de círculo que o SIG utiliza quando você carrega a camada (veja as ilustrações figure_vector_symbology, figure_generic_symbology e figure_custom_symbology).

Figure Vector Symbology 1:

../../_images/symbology_settings.png

No SIG, você pode usar um painel (como este acima) para ajustar como as feições em sua camada deve ser desenhadas.

Figure Vector Symbology 2:

../../_images/symbology_generic.png

Quando uma camada (por exemplo a camada de árvores acima) é carregada pela primeira vez, o aplicativo de SIG irá mostrar esta com uma simbologia genérica.

Figure Vector Symbology 3:

../../_images/symbology_custom.png

Depois de fazer os nossos ajustes é muito mais fácil de ver que nossos pontos representam árvores.

Simbologias são um poderoso recurso, dando vida aos mapas e tornando os dados em seu SIG mais fáceis de entender. No tópico que se segue (Dado de Atributo Vetorial) nós iremos explorar mais fundo como as simbologias podem ajudar o usuário a entender dados vetoriais.

O que podemos fazer com os dados vetoriais em um GIS?

Em um nível mais simples, podemos usar dados vetoriais em um aplicativo SIG, da mesma maneira que você usaria um mapa topográfico normal. O verdadeiro poder do SIG começa a mostrar-se quando você começa a fazer perguntas como ‘quais casas estão dentro do nível de inundação de 100 anos de um rio?’; ‘onde é o melhor lugar para colocar um hospital para que seja facilmente acessível ao maior número de pessoas possível?’; ‘quais os alunos que morram em um bairro específico?’. Um SIG é uma grande ferramenta para responder a esses tipos de perguntas com a ajuda de dados vetoriais. Geralmente nos referimos ao processo de responder a esses tipos de perguntas como análises espaciais. Em tópicos posteriores deste tutorial, vamos olhar para a análise espacial com mais detalhes.

Problemas comuns com dados vetoriais

Trabalhar com dados vetoriais possui alguns problemas. Já mencionamos os problemas que podem surgir com vetores capturados em diferentes escalas. Dados vetoriais também precisam de muito trabalho e de manutenção para garantir que estes são precisos e confiáveis. Dados vetoriais imprecisos podem ocorrer quando os instrumentos utilizados para capturar os dados não estão configurados corretamente, quando as pessoas que capturam os dados não estão tomando o devido cuidado, quando o tempo ou o dinheiro não permitem detalhes suficientes no processo de coleta, e assim por diante.

Se você tiver dados vetoriais de baixa qualidade, muitas vezes você pode detectar isso ao exibir os dados em um SIG. Por exemplo, frestas podem ocorrer quando as bordas de duas áreas de polígonos não se encontram adequadamente (veja figure_vector_slivers).

Figure Vector Issues 1:

../../_images/vector_slivers.png

Frestas podem ocorrer quando os vértices de dois polígonos não coincidem em suas bordas. E uma pequena escala (ex. 1 para esquerda) você pode não ser capaz de ver estes erros. Em uma grande escala eles são visíveis como finas tiras entre dois polígonos (2 para direita).

Ultrapassagens podem ocorrer quando uma feição de linha, como uma estrada, não encontra outra estrada exatamente em uma intersecção. Ante passagens podem ocorrer quando uma feição de linha (ex. um rio) não encontra exatamente outra feição a qual este deveria estar conectado. A figura figure_vector_overshoots demonstra como ultrapassagens e ante passagens são vistas.

Figure Vector Issues 2:

../../_images/vector_overshoots.png

Ante passagens (1) ocorrem quando digitalizado um vetor de linha que deveria se conectar a outra mas estas não se tocam. Ultrapassagens (2) acontecem se uma linha termina adiante da linha à qual deveria estar conectada.

Por causa destes tipos de erros, é muito importante digitalizar os dados cuidadosamente e precisamente. No próximo tópico sobre topologia, examinaremos alguns desses tipos de erros em mais detalhes.

O que nós aprendemos?

Vamos finalizar o que nós já passamos nesta lista:

  • Dados vetoriais são usados para representar feições do mundo real em um SIG.

  • Uma feição vetorial pode ter sua geometria do tipo ponto, linha ou polígono.

  • Cada feição vetorial possui dados de atributo os quais descrevem este.

  • Feição de geometria é descrita em termos de vértices.

  • Geometrias de ponto são feitas de um único vértice (X, Y e opcionalmente Z).

  • Geometrias de linhas são formadas por dois ou mais vértices formando uma linha conectada.

  • Geometrias de polígono são formadas por pelo menos três vértices formando uma área fechada. O primeiro e o último vértice estão sempre no mesmo local.

  • A escolha de qual tipo de geometria a ser utilizada depende da escala, da conveniência e de o quê você pretende fazer com os dados no SIG.

  • A maioria das aplicações de SIG não permitem misturar mais de um tipo de geometria em uma única camada.

  • Digitalização é o processo de criação de dados vetoriais digitais através do desenho deste em um aplicativo GIS.

  • Dados vetoriais podem possuir erros de qualidade, como ante passagens, ultrapassagens e frestas, os quais você deve estar sempre atento.

  • Dados vetoriais podem ser usados para análises espaciais em um aplicativo SIG, por exemplo, para encontrar o hospital mais próximo de uma escola.

Nós resumimos o conceito de Dado Vetorial em SIG na figura figure_vector_summary.

Figure Vector Summary 1:

../../_images/vector_summary.png

Este diagrama mostra como aplicações GIS lidam com dados vetoriais.

Agora tente você!

Aqui estão algumas ideias para você testar com seus alunos:

  • Usando uma cópia de uma carta topográfica de sua área local (como a apresentada em figure_sample_map), veja se seus alunos conseguem identificar exemplos de diferentes tipos de dados vetoriais apontando estes no mapa.

  • Pense em como você criaria feições vetoriais em um SIG para representar características do mundo real em suas dependências da escola. Crie uma tabela de características diferentes dentro e em torno de sua escola e, em seguida, encarregue seus alunos de decidir se eles seriam melhor representados no SIG como um ponto, linha ou polígono. Veja table_vector_1 como um exemplo.

Figure Sample Map 1:

../../_images/sample_map.png

Você consegue identificar dois elementos de ponto e uma feição de polígono neste mapa?

Elemento do mundo real

Tipo de Geometria Adequada

O mastro da escola

 

O campo de futebol

 

As trilhas dentro e ao redor da escola

 

Locais onde as torneiras estão localizadas

 
Etc.  

Tabela Vetor 1: Crie uma tabela como esta (deixando a coluna do tipo de geometria vazia) e pedir a seus alunos para decidir sobre os tipos de geometria adequada.

Algo a se pensar

Se você não tiver um computador disponível, você pode usar uma carta topográfica e papel transparência para mostrar a seus alunos sobre dados vetoriais.

Leitura complementar

O Guia do Usuário QGIS também possui informações mais detalhadas sobre como trabalhar com dados vetoriais no QGIS.

O que vem depois?

Na seção seguinte, vamos dar uma olhada mais de perto sobre dado de atributo para ver como ele pode ser usado para feições do vetor.