Revista Brasileira de Cartografia

RBC - Revista Brasileira de Cartografia Brasilian Journal of Cartography o o n 53, dezembro 2001 / n 53, December 2001 CARACTERIZAÇÃO DE ESTREMAS NO ESPAÇO GEOMÉTRICO: FUNDAMENTOS JURÍDICOS E GEODÉSICOS Carlito V. de Moraes UMA ABORDAGEM SEMI-AUTOMÁTICA PARA EXTRAÇÃO DE FEIÇÕES CARTOGRÁFICAS Helien E. R. Gato, Nilton N. Imai, Antonio M. G. Tommaselli NEW THEORETICAL RESEARCH TRENDS IN CARTOGRAPHY Robert S. Sluter Jr. ESTAÇÃO DE MARÉS TERRESTRES DA UFPR - HISTÓRICO, MANUTENÇÃO E ESTÁGIO ATUAL DE DESENVOLVIMENTO Sílvia H. S. Schwab, Camil Gemael, Eno D. Saatkamp, Guilherme B. Blitzkow SISTEMA ESPECIALISTA PARA GERAÇÃO DE MAPAS TEMÁTICOS Claudia R. Sluter UM ALGORITMO DE OTIMIZAÇÃO GLOBAL PARA A EXTRAÇÃO DE RODOVIAS EM IMAGENS DIGITAIS Aluir P. Dal Poz, Peggy Agouris CADASTRO E REGISTRO DE IMÓVEIS EM ÁREAS RURAIS E URBANAS: A LEI 10.267/2001 E EXPERIÊNCIAS NOS MUNICÍPIOS DE SÂO PAULO E SANTO ANDRÉ Andrea F. T. Carneiro MAPEAMENTO DE RUAS COM UM SISTEMA MÓVEL DE MAPEAMENTO DIGITAL João F. C. da Silva, Paulo de O. Camargo, Marcos C. Guardia, Mário L. L. Reiss, Rodrigo A. da C. Silva, Rodrigo B. de A. Gallis, Ronaldo A. de Oliveira ANÁLISE DE DESLOCAMENTO EM UMA MINA A CÉU ABERTO Patrício A. Aguirre, Camil Gemael SIG NO PLANEJAMENTO DE TRILHAS NO PARQUE ESTADUAL DE CAMPOS DO JORDÃO Mônica M. S. Decanini CARTA DE POTENCIAL À EROSÃO LAMINAR DA PARTE SUPERIOR DA BACIA DO CÓRREGO DO MONJOLINHO (SÃO CARLOS,SP) Reinaldo Lorandi, Flávio Takemoto, Nemésio N. B. Salvador, Fabio E. Torresan

CARACTERIZAÇÃO DE ESTREMAS NO ESPAÇO GEOMÉTRICO: FUNDAMENTOS JURÍDICOS E GEODÉSICOS Carlito Vieira de Moraes Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico SEPN 507, Bloco “B” Ed. Sede CNPq 70750-901 Brasília, DF Brasil [email protected] RESUMO O objetivo deste trabalho é analisar sucintamente os fundamentos jurídicos e geodésicos da caracterização de estremas no espaço geométrico. Dos fundamentos jurídicos analisa-se o princípio da especialidade do registro imobiliário. A este princípio, além dos aspectos estritamente jurídicos, é também requisito à individualização obrigatória do prédio os dados geográficos que determinam univocamente o espaço terrestre por ele ocupado. Dos fundamentos geodésicos são agrupados os sistemas de coordenadas geodésicas para as mensurações terrestres, dentre os quais se destacam o sistema de coordenadas polares astronômicas topocêntricas no qual as observações geodésicas são obtidas mediante os instrumentos de mensuração (e.g., os taquímetros) e o sistema de coordenadas polares elipsóidicas por ser o procedimento pelo qual os limites fundiários dos prédios são descritos. Desenvolve-se o procedimento matemático que calcula a superfície de polígonos quaisquer sobre o elipsóide em função das coordenadas geográficas elipsóidicas. As medidas de qualidade de rede geodésica são agrupadas. Propõem-se uma estrutura atualizada à matrícula imobiliária, em que as quantidades geodésicas e estatísticas interpretadoras do princípio da especialidade são contempladas, e complementos à norma jurídica pertinente, i.e., ao art. 225 da Lei n. 6015/1973 (Lei de Registros Públicos). Apóia-se na tese segundo a qual a concepção aprimorada do modelo geodésico para a caracterização de estremas no espaço geométrico, de modo que resulte limites fundiários de iure o mais próximo dos limites fundiários de facto, requerendo a intersecção dos princípios contidos no Direito Imobiliário com os princípios contidos na Geodésia. ABSTRACT The purpose of this study is to analyse succintly the juridical and geodetic concepts of the characterization of corners in geometric space. From the juridical basis, the speciality principle of the real (praedial) property right is analysed. This principle embraces both juridical aspects strictly and requisite for the obligatory individualization of real property by means of geographic data that determine having one meaning only the terrestrial space which by he himself occupied. From the geodetic basis, the systems of coordinates for the terrestrial geodetic measurements are synthetized. Two distinct systems are selected as appropriate models. The first is the polar astronomical topocentric system of coordinates in which are collected the geodetic observations by means of measuring instruments (e.g., tachymeter). The second is the polar ellipsoidal system of coordinates in which are described boundaries. The mathematical method to determine the surface of the any polygons on the ellipsoid as function of the ellipsoidal geographic coordinates is presented. The quality measures of geodetic networks are listed. A refined structure for the real property registration in which geodetic and statistic quantities are necessary for the speciality principle interpretation and the complements for the pertinent juridical norm, i.e., the article 225 of the Brazilian federal Law n. 6015/1973 (Lei de Registros Públicos) are proposed. It is supported in the thesis that the refined conception of the geodetic model for the characterization of corners in the geometric space so that the boundaries de iure place approximately the boundaries de facto must be the intersection between the principles contained in the real (praedial) property right and principles contained in the Geodesy. Palavras-chave: estremas, caracterização de estremas, princípio da especialidade, matrícula imobiliária, coordenadas polares elipsóidicas, coordenadas geográficas elipsóidicas, área de polígonos quaisquer no elipsóide, medidas de qualidade de rede geodésica, art. 225 da Lei n. 6015/1973 (Lei de Registros Públicos). o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

1. INTRODUÇÃO iure são os que constam de títulos ou atos constitutivos e aqueles que constam de títulos ou atos declaratórios. O vocábulo estrema provém do latim extremus Títulos ou atos constitutivos são, e.g., a que possui a acepção de situado no fim, de canto e de escritura de compra e venda e a sentença constitutiva de extremidade. Nos Estados Unidos da América, o vocábulo é usucapião, e títulos ou atos declaratórios são, e.g., os corner que significa um ponto de mudança da direção do julgados que partilharem imóveis ou os que limite da propriedade imóvel (BROWN et al., 1995, p. 267). demarcarem, as escrituras de partilha amigável ou de A origem da delimitação de prédio (do latim demarcação (BATALHA, 1999, p. 381). Os limites de praedium ” fundus, que designa toda espécie de bens de facto são aqueles cujas estremas representam, no lugar raiz ou de bens imóveis) por estremas surgiu no Egito, determinado da SFT, o conteúdo do título. na metade do século dezesseis antes da era cristã, onde Através do tempo, os limites têm sido se empregavam os monumentos de pedra (BENGEL e caracterizados por diferentes modelos. Iniciou-se a SIMMERDING, 2000, p. 216). Neste contexto são caracterização utilizando-se somente entes naturais, usuais os vocábulos prédios, imóveis, bens imóveis, ou depois as coordenadas de um sistema cartesiano de duas bens de raiz, os quais podem ser reconhecidos pela dimensões sem georreferenciação geodésica e o denominação de terras. emprego também das coordenadas do sistema de Na atualidade, o tema estrema com a projeção UTM (Universal Transverse Mercator) metodologia de sua caracterização é importante porque quando as coordenadas das estremas que compõem os se constitui em um dos suportes do Direito Imobiliário, limites fundiários são obtidas das cartas topográficas. parte da essência do princípio da especialidade do O aprimoramento da concepção do modelo registro público de imóveis concernente à geodésico para a caracterização de estremas no espaço individualização obrigatória de propriedade fundiária, geométrico de modo que resulte limites fundiários de pois a certeza dos limites físicos do prédio é dependente iure o mais próximo dos limites fundiários de facto do conteúdo do título de domínio no qual se assentou as requer a intersecção dos princípios contidos no Direito quantidades geodésicas e estatísticas, com as quais se Imobiliário com os princípios contidos na Geodésia caracterizaram as estremas; por isso a linha na (MORAES, 2001, p. 13, 34). Esta concepção depende superfície física terrestre (SFT) definida por estremas é de modelagem conforme mostra a Fig. 1. o ente geométrico comum, enquanto objeto de definição, entre o Direito Imobiliário e a Geodésia. Interpretação do Princípio da Especialidade O ponto de divisa materializado por sinal de do Registro Imobiliário demarcação que tem a função de mostrar ao detentor do domínio os limites de seu prédio chama-se estrema. Cada Modelagem prédio enquanto domínio tem o memorial da caracterização de estremas em sua matrícula imobiliária . Na linguagem jurídica, o vocábulo domínio significa “a propriedade ou o direito de propriedade sobre bens imóveis” (SILVA, 2000, p. 289). Modelo geodésico Nos trabalhos de perícia judicial em terras, e.g., na ação demarcatória (actio finium regundorum), na ação divisória (actio communi dividundo) e na ação discriminatória, agrimensores e arbitradores recorrem à Resolução Geodésia, a fim de que lhe forneça as medidas da SFT, as quais instruem estas ações. A função do agrimensor agr o¢ V (latim Ager + mensor; ager ” grego = parcela de Solução terras marcada por limites geográficos, e mensor que significa aquele que mensura) é agrimensurar grego geodait ~ ( ) w , e em norma jurídica brasileira Caracterização de estremas e respectivos memoriais antiga vem expressa no Decreto n. 1318/1854 que a regulamentou Lei n. 601/1850 (1 lei de terras brasileira), Fig. 1 – Relação entre caracterização de estremas, e em norma jurídica recente vem expressa no Capítulo Direito Imobiliário e Geodésia. VIII do Livro IV da Lei n. 5869/1973 que instituiu o Código de Processo Civil (CPC). Os memoriais da caracterização de estremas para Na concepção jurídica, os limites fundiários o Direito Imobiliário servem como: elementos integrantes da segundo a espécie são os entes naturais, os entes Sentença Homologatória de Demarcação (CPC, art. 966) artificiais, os limites de iure e os limites de facto pela Corregedoria Geral de Justiça. Esta sentença integra o (THEODORO JÚNIOR, 1999, p. 21). Os entes naturais laudo do agrimensor e o laudo dos arbitradores, nos quais os são por suas próprias naturezas definidores de limites, limites de iure entre os prédios foram definidos (e.g., e.g., rios, córregos, lagos e linhas de festo. Os entes APIAÍ. Comarca. Proc. n. 048/39, fls. 1259 e 1260). artificiais são constituídos por linhas cujas estremas são Os arts. 959 a 966 do CPC que dão diretrizes materializadas por metodologia geodésica. Os limites de aos trabalhos periciais do agrimensor e arbitradores e o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

dos quais estes peritos obtêm orientações às decisões Uma tríade de coordenadas para cada estrema não contemplam critérios de verificação da qualidade de pode ser constituída pela agregação das respectivas levantamentos geodésicos, pois o desenvolvimento altitudes elipsóidicas h e h . 0 1 maior de tais critérios ocorreu após o ano de 1976 À caracterização de estremas no espaço consoante as publicações na literatura geodésica a que geométrico em atenção ao princípio da especialidade os autores fazem remissão. Em contraste a isto, o art. devem ser propostos: 225 da Lei n. 6015/1973 determina que os tabeliães, a) a estrutura geral da matriz de dados que escrivães e juízes façam com que nas escrituras e autos consiste de n observações em linhas e de p judiciais as partes indiquem, com precisão, os variáveis em colunas para a obtenção de característicos, confrontações e a localização dos dados das mensurações geodésicas imóveis. Estes elementos a serem indicados são (JOHNSON e WICHERN, 1998, p. 6 ); indispensáveis também para a ação de Registro Torrens b) a análise de qualidade dos dados advindos (FALCÃO, 1995, p. 116). do ajustamento de observações geodésicas A estrema tem as características que a norma pelo método dos mínimos quadrados, de jurídica atribui, e.g., a característica de ser elemento da linha modo que as estimativas obtidas tornem que separará domínios distintos sobre imóveis distintos, mas elementos integrantes da matrícula a sua definição na SFT tem as características que a Geodésia imobiliária; atribui. Na Fig. 2, a estrema P é caracterizada pelo par de 0 c) os conceitos de confiabilidade interna e coordenadas geográficas elipsóidicas (j ,l externa de redes geodésicas; 0 0 ) e pela d) o conceito de sensibilidade de rede altitude elipsóidica h . Strictu sensu, o vocábulo 0 geodésica; gewgrajik o¢ ) V geográficas (grego concerne à descrição e) o assento, na matrícula imobiliária, do nome da Terra, e o vocábulo elipsóidicas concerne à figura e dos parâmetros do elipsóide de referência; elipsóide da Matemática. O uso da frase coordenadas f) a descrição dos limites fundiários por geográficas elipsóidicas está consignada na literatura coordenadas polares elipsóidicas para a geodésica, e.g. TORGE (1991, p. 45), HECK (1995, p. 191), composição de parte da matrícula DIN (1995 a, p. 24), WITTE e SCHMIDT (2000, p. 19) e imobiliária (ver: seção 3.1.2 e o exemplo na SCHÖDLBAUER (2000, p. 3). seção 4.1); Ao estabelecer um dos limites fundiários que g) a superfície do prédio calculada em função distinguirá o domínio A do domínio B, exemplificado das coordenadas geográficas elipsóidicas. pela Fig. 2 em que n e n designam as respectivas 0 1 normais ao elipsóide, são necessários dois pares (j ,l 0 0 ) e (j , l 1 1 ) de coordenadas geográficas elipsóidicas para a caracterização do limite fundiário P P . 0 1 normal de P 0 seção da SFT normal de P 1 P = (j , l , h ) 0 0 0 0 domínio B domínio A matrícula n. matrícula n. P = (j , l , h ) 1 1 1 1 seção do elipsóide h 1 h 0 do SGR P = (j , l ) 0 0 0 P = (j , l ) 1 1 1 n 0 n 1 Fig. 2 – Representação de um limite fundiário dos domínios A e B. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

2. REGISTRO IMOBILIÁRIO assento praticado em livro desse ofício para realizar o referido fim” (CARVALHO, 1997, p. 115). A origem do registro imobiliário no Brasil O Livro n. 2 do Registro de Imóveis destina- ocorreu com o Registro Paroquial que foi instituído pelo se à matrícula, aos registros e às averbações. Os Decreto n. 1318/1854. Seguiram-se o Registro Geral requisitos peculiares da matrícula são o número de instituído pela Lei n. 1237/1864, o Registro Torrens ordem e a descrição do imóvel; este último requisito instituído pelo Decreto n. 451-B/1890, a Lei n. constitui o núcleo da matrícula (CARVALHO, 1997, p. 3071/1916 que instituiu o Código Civil Brasileiro 340) que define, que caracteriza o imóvel e que constitui (CCB) e a Lei n. 6015/1973 (Lei de Registros Públicos). a base para o registro dos atos jurídicos, dos atos O registro imobiliário é regido por princípios judiciários e dos demais atos que concernem ao imóvel que exprimem o conjunto de regras para direcionar a (BATALHA, 1999, p. 386). Os registros obedecem às conduta, dentre os quais o princípio da prioridade, o disposições do art. 167, inciso I; as averbações às do art. princípio da especialidade, o princípio da presunção, o 167, inciso II, e arts. 246 e 247 e a escrituração do livro princípio da legalidade e o princípio da publicidade. O 2, às do § 1º do art. 176 da Lei n. 6015/1973. detalhamento destes princípios encontram-se na A averbação é a inserção na matrícula ou no literatura jurídica que trata o registro (e.g., registro de ocorrências que, por qualquer modo, os SWENSSON, 1991 e CARVALHO, 1997). alterem, tais como a correção de erros, a Destaque-se que o princípio da especialidade complementação ou a atualização de informação permite formar o vínculo do Direito Imobiliário à (SWENSSON, 1991, p. 162). Averbam-se os limites Geodésia, pois tem natureza dúplice em sua concepção. fundiários da Reserva Florestal Legal, e também os A primeira, estritamente jurídica, diz que a inscrição da limites fundiários das florestas e demais formas de propriedade imóvel no registro deve recair sobre um vegetação consideradas de preservação permanente objeto precisamente individualizado (CARVALHO, segundo os arts. 2º e 3º da Lei n. 4771/1965 (Código 1997, p. 203) e que o registro imobiliário se constitui no Florestal), cujos memoriais da caracterização de modo de aquisição da propriedade imóvel (CCB, art. estremas devem estar à disposição do Oficial de 530, I). A segunda é estritamente geodésica, porque Registro. esse princípio só pode ser concretizado pelas mensurações, a fim de que os limites geométricos de cada Livro n. 2 – Registro Geral Ofício de Registro prédio seja tão precisamente descrito, de modo que no de Imóveis de ... lugar seja encontrado (BENGEL e SIMMERDING, Matrícula n. Folha 1 Data ... 2000, p. 188). A porção terrestre individualizada Imóvel: (memorial da caracterização de estremas e de constitui o objeto do registro no sentido de que como a entes naturais) cada imóvel cabe um lugar certo na SFT, a cada imóvel cabe também um lugar certo no registro (CARVALHO, Proprietário – ... 1997, p. 27, 331). Registro anterior – (título, data e Ofício de A tarefa de interpretar este conceito e a tarefa Registro de Imóveis) de realizá-lo materialmente por demarcação são do Registro 1 – (data e nome do ato) agrimensor e dos arbitradores. O juízo de 1º grau Averbação 2 – (data e nome do ato) nomeia um perito agrimensor e dois peritos arbitradores Averbação 3 – ... (CPC, art. 956). Estes peritos têm a função de identificar Registro 4 – ... M M M os limites dos imóveis, fixar o marco primordial (CPC, art. 963), fixar as demais estremas nos vértices (CPC, arts. 959 e 963), elaborar o laudo de arbitramento (CPC, Fig. 3 – Estrutura do Livro n. 2 do Registro de Imóveis. art. 957), elaborar o laudo e demarcação (CPC, art. 957 § único) e protocolar esses laudos. A seguir o juízo de A descrição que abre a matrícula nem sempre 1º grau determina o prazo para a manifestação dos é a definitiva, podendo conter retificações, mediante as requeridos e lavratura do auto de demarcação (CPC, art. averbações, de parte ou mesmo de toda a descrição 965) e sentença homologatória de demarcação (CPC, (ORLANDI NETO, 1997, p. 12). Neste sentido, art. 966). portanto, deverá ser entendido que as estremas de um imóvel sejam atualizadas através do tempo, considerando 2.1 LIVROS DE REGISTRO as evoluções da ciência que lhes sejam importante. O art. 225 da Lei n. 6015/1973 traz a Para registrar os atos reconhecidos em lei significação abrangente do princípio da especialidade do sobre a propriedade imobiliária, o art. 173 da Lei n. registro público de imóveis. Mister se faz que seja 6015/1973 exige a existência de livros. O livro n. 2, proposta a pormenorização do significado dos termos: chamado Registro Geral (Fig. 3), é aquele que contém o característico de imóvel, confrontação de imóvel e memorial da caracterização de estremas e entes naturais localização de imóvel e que esta pormenorização torne do perímetro do prédio. “O termo registro possui duas conteúdo do art. mencionado, conforme se mostrará na acepções: a primeira, de ofício público, em que se dá a seção 4. publicidade dos direitos reais; a segunda, do ato ou o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

3. SÍNTESE DA METODOLOGIA ser caracterizados por coordenadas de vários sistemas e se tornarem estremas definidoras de limites fundiários. A obtenção, o registro, a representação e a Nos quadros 1 e 2, as quantidades d, s, z, A , a e V utilização do ente topográfico – objeto de mensuração, A são a distância medida no plano tangente ao g e.g., os entes que se inserem nas disposições do art. 167 topocentro, a geodésica do elipsóide, o ângulo zenital da Lei n. 6015/1973 – exigem como sistema de (referido à vertical do topocentro), o azimute ordenação um sistema de referência geodésico cuja astronômico, o azimute geodésico e o ângulo zenital principal característica é a univocidade de determinação elipsóidico, respectivamente. que é um dos requisitos do princípio da especialidade. A realização de tal sistema exige pontos demarcados cujas 3.1.1 Sistema de Coordenadas Polares Astronômicas coordenadas são determinadas com os dados das Topocêntricas mensurações geodésicas e representadas em um sistema de coordenadas definido matematicamente. O sistema de coordenadas polares astronômicas topocêntricas (PAT), definido em associação com o 3.1 SISTEMAS DE COORDENADAS sistema de coordenadas cartesianas topocêntricas (CAT), é caracterizado pelas coordenadas polares obtidas no A posição de um ponto definida topocentro P após a materialização da vertical (direção do 0 geodesicamente se constitui na realidade física como vetor intensidade da gravidade g) pelo instrumento de pontos do espaço euclidiano de três dimensões da mensuração (e.g., taquímetro): a distância d, o azimute realidade abstrata da Matemática, i.e., cada ponto é caracterizado pela tríade composta pelas coordenadas astronômico A e o ângulo zenital z. L ) a ( geográficas astronômicas (F, e a altitude O CAT, por sua vez, tem as características ortométrica H, ou pela tríade de coordenadas cartesianas seguintes (PELZER, 1985, p. 495; VANÍ C EK e ( y,x ) z , , ou ainda pela tríade composta pelas KRAKIWSKY, 1986, p. 294; KLEIN, 1997, p. 13): coordenadas cartesianas; origem em um ponto P coordenadas geográficas elipsóidicas ( lj, ) e a altitude 0 * * elipsóidica h. As coordenadas ( , LF , H ) são chamadas (topocentro); eixo z coincidente com a direção vertical e positivo no sentido do zênite do topocentro; coordenadas naturais (HEISKANEN e MORITZ, 1967, * * p. 55, 56), e as coordenadas ( ,lj ) h , são chamadas eixo x * * perpendicular ao eixo z e contido no plano do meridiano astronômico do ponto P e positivo para coordenadas elipsóidicas. 0 * * O conceito posição designa o ponto do o sentido do norte astronômico; eixo y perpendicular * * * * espaço de três dimensões se qualquer uma destas tríades aos eixos x z e e contado positivamente para o for empregada, ou então, designa o ponto da superfície L ) * * * * * * de referência se qualquer um dos pares (F, ou leste astronômico; a tríade de eixos(x y , z , ) forma um sistema cartesiano levogiro. ( lj, ) for empregado. A fim de descrever um ponto da realidade 3.1.2 Sistema de Coordenadas Polares Elipsóidicas física e de estabelecer a relação geométrica entre os pontos distintos, os sistemas de coordenadas geodésicas Em analogia ao sistema de coordenadas polares são empregados. Os sistemas de coordenadas matematicamente definido, é concebido o sistema de geodésicas são uma família de sistemas, da qual o coordenadas polares elipsóidicas cuja origem para a sistema de coordenadas naturais e o sistema de contagem do comprimento da linha geodésica s é um ponto l coordenadas geográficas elipsóidicas são membros. Para com as coordenadas geográficas elipsóidicas ( j, ) as medições geodésicas terrestres são de significação conhecidas e cuja origem para a contagem do ângulo de dois grupos de sistemas de coordenadas (DIN, 1995a, p. 16-31): sistemas de coordenadas naturais e sistemas de orientação (azimute A ) é a tangente ao meridiano passante g coordenadas elipsóidicas. O primeiro compreende os pelo ponto. sistemas definidos no espaço gravitacional terrestre, e o A determinação destas coordenadas a partir de segundo compreende os sistemas definidos no espaço dois pontos com coordenadas geográficas elipsóidicas geométrico que utilizam o elipsóide de revolução. consiste na solução do problema inverso da Geodésia, Os sistemas de coordenadas naturais e os também denominado segundo problema geodésico principal. sistemas de coordenadas elipsóidicas podem ser A literatura geodésica traz uma variedade de solução deste subdivididos consoante os quadros 1 e 2. Cada um dos problema, e.g., SODANO (1958, p. 16-19), SCHMIDT sistemas cartesianos é caracterizado pela tríade (1999) e SANTOS JÚNIOR (2002). As coordenadas ordenada de coordenadas e de versores i, j e k das polares d e A do PAT são transformadas nas a direções dos eixos coordenados. Cada tríade ordenada ( correspondentes coordenadas polares elipsóidicas s e A g de coordenadas e os versores dos eixos coordenados são pelos procedimentos de redução (e.g., VANÍ C EK e denotados por sinais sobrepostos, a fim de facilitar a KRAKIWSKY, 1986, p. 347-352; KUANG, 1996, p. 53- transformação das coordenadas de um sistema nas 59; ZAKATOV, 1997, p. 431-446). coordenadas de outro, em virtude de os entes poderem o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

QUADRO 1 – SISTEMAS DE COORDENADAS NATURAIS E VERSORES DAS DIREÇÕES DOS EIXOS COORDENADOS Subdivisões dos sistemas Abreviatura Natureza geométrica das coordenadas Versores retilínea angular dos eixos * * * * * * Cartesianas Geocêntricas CG – x y , z , i j , k , L Geográficas Astronômicas GA – F, – * * * * * * * * * * * * Cartesianas Astronômicas Topocêntricas CAT – x y , z , i j , k , Polares Astronômicas Topocêntricas PAT d – A z , a QUADRO 2 – SISTEMAS DE COORDENADAS ELIPSÓIDICAS E VERSORES DAS DIREÇÕES DOS EIXOS COORDENADOS Subdivisões dos sistemas Abreviatura Natureza geométrica das coordenadas Versores dos eixos retilínea angular geodésica • • • • • • Cartesianas Elipsóidicas CE – – x y , z , i j , k , l Geográficas Elipsóidicas GE h j, – – • • • • • • • • • • • • Cartesianas Elipsóidicas CET – – x y , z , i j , k , Topocêntricas Polares Elipsóidicas PE – s – A g Polares Elipsóidicas PET d – – A V , g Topocêntricas 3.2 SUPERFÍCIE DE POLÍGONOS QUAISQUER SOBRE O ELIPSÓIDE ¢ ¢ ¢ = e - e + e - 10 A superfície de um polígono constituído por 2 8 32 256 8 4 6 k e¢ , (5) 22 p lados no elipsóide advém do somatório das p 45 105 315 2 079 superfícies dos p polígonos que são formados pela linha ¢ ¢ = 32 e - 256 e + 1 024 10 8 6 geodésica, pelos meridianos dos pontos extremos da k e¢ , (6) 24 geodésica e pela linha do equador. Há superfícies que 1 575 4 725 10 395 são excluídas, em virtude de não abrangerem o polígono ¢ = 128 e - 1 024 10 8 k e¢ , (7) objeto de cálculo. 26 11 025 24 255 A superfície dS do quadrilátero infinitesimal é ) 2 2 = 8 192 10 = j l ) = a ( - f1 k e¢ , (8) dS ( dM )( cosN jd cos jd jd l ,(1) 28 2 2 ) j 2 1 091 475 ( - e1 sin ¢ ¢ ¢ = 1 e - 4 e + 16 e - 128 10 4 6 8 em que M é o raio de curvatura da seção meridiana, N é k e¢ , (9) 40 45 105 315 2 079 o raio de curvatura da seção transversal, a é o semi-eixo ¢ ¢ = e - e + 10 maior, e é a excentricidade, f é o achatamento, j é a 16 128 512 d 8 6 k e¢ , (10) 42 diferencial da latitude e ld é a diferencial da longitude. 1 575 4 725 10 395 A integração (DANIELSEN, 1989; MORAES, ¢ = 64 e - 512 10 8 k e¢ , (11) 2001, p. 167-177) de (1) resulta 44 2 2 D q - 2 4 6 ü 11 025 24 255 S = a ( - f1 ) [k (k + k c + k c + k c 00 20 22 24 26 ï 4 096 - ï k = e¢ , (12) 10 8 2 2 4 6 4 ï + k c ) DJc (k + k c + k c + k c ) DJc 46 28 1 40 42 44 46 3 1 091 475 - 2 4 6 - 2 8 ý ,(2) ï ¢ ¢ ] k 60 e¢ , (13) (k 60 + k 62 c + k 64 c ) DJc 5 (k 80 + k 82 c ) DJc 7 ï = 4 e - 32 e + 128 10 8 6 10 ï - k c DJ þ 525 1 575 3 465 100 9 = e - 10 em que 16 ¢ 128 8 k 62 e¢ , (14) = 1+ 2 e¢ 2 - 1 e¢ 4 + 4 e¢ 6 - 8 e¢ 8 + 64 e¢ 10 3 675 8 085 k , 00 3 15 105 315 3 465 = 1 024 10 k e¢ , (15) 64 (3) 363 825 = 2 e¢ 2 - 2 e¢ 4 + 4 e¢ 6 - 32 e¢ 8 + 64 10 k e¢ , (4) 8 ¢ 64 8 20 = e - 10 k e¢ , (16) 3 15 35 315 393 80 2 205 4 851 o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

= 512 10 h = e¢ 2 m , (35) k e¢ , (17) 82 P = - . (36) 218 295 m A = 64 10 tan F sinF Calculados os ângulos q i , ˛ k e¢ , (18) 100 31 185 { }2,1 , calculam- i D f 2 - 2 se os J n- e c n = ( 4,2 , 8 , 6 , 10 ), respectivamente por n ¢ e = e = f 1 1 - f 1 - f , (19) D = sinq 2 - sinq 1 D q = q - q = (sinb sinw ) J n- 1 n- 1 q n- 1 q , (37) 2 1 arcsin 0 2 cos 2 cos 1 - (sinb sinw (20) n arcsin ), c = n 0 1 cos b . (38) 0 calculado em radianos, tanb b = 1 3.3 MEDIDAS DE QUALIDADE DE REDE 0 arctan cosw , (21) GEODÉSICA 1 Ø æ b ø ö w Œ 1 D w - tan 2 ÷ A qualidade de um ajustamento de rede Œ º sin Ł tan 1 œ ß ł geodésica é caracterizado pelas medidas de acurácia, 1 = arctan D w ç çcos b ÷ œ . (22) b = ( [1- )tan j ˛ pelas medidas de confiabilidade e pela medida de i arctan f i ] i , { }2,1 (23) sensibilidade. é a latitude reduzida nos pontos extremos da linha geodésica sob a restrição j ‡ j 3.3.1 Medidas de Acurácia i i+ 1 , (24) e w = w + D A acurácia (latim accuratio que significa 2 1 w. (25) A diferença angular D w pode ser calculada ação de cuidar, de refinar, de completar, de aperfeiçoar) tem sua medida dependente de dois critérios: a precisão pelo procedimento em SODANO (1958, p. 15-18): e a correção (SCHMIDT, 1997, p. 215; WITTE e D w = D l + , x (26) SCHMIDT, 2000, p. 156; DIN, 1995b, p. 30; DIN, D em que l é a diferença de longitude geográfica 1986, p. 3). Esta medida define a região em que o valor tido como verdadeiro ou, então, o valor de referência se elipsóidica dada por: D l = l - situa com uma probabilidade pretendida. 1 2 l (27) A matriz dos cofatores de covariância das e a quantidade x é dada pela série de Helmert: ü incógnitas Q x ˆ – inversa da matriz de coeficientes das 2 x = e C [ 128 nF + 128 e 2 n 2 C 2 F - 8 hF ï incógnitas das equações normais, oriunda do ï 128 ajustamento de observações geodésicas pelo MMQ – - F + 2 2 PF + e¢ 2 2 ï 2 ï descreve o comportamento estocástico do vetor das 16 Psin F n hsinF 8 128 cos e + 4 3 4 F - 2 2 F + 2 ï incógnitas x. Esse comportamento é entendido sob o ï conceito de medidas de acurácia, se os erros C h 3 128 24 F n e e nhC - e 8 2 nhC 2 sinF cos F + 5 h 2 sinF cos F ï sistemáticos conhecidos forem eliminados das - 64 e 4 n 3 C 2 mF - 2 h 2 sin 3 F cos F ï observações antes de proceder ao ajustamento. 3 ý (28) A Fig. 4 mostra o modo de a matriz Q ser + ( e16 2 e¢ 2 n + 448 e 4 n 3 )C 2 PF - 16 e 2 nhPF 2 ï empregada, em que são distinguidas as medidas locais e x ˆ ï 2 + 2 e¢ 2 2 2 F - e 8 ¢ 2 2 ï globais de acurácia (LEONHARD e NIEMEIER, 1980, ï nC Psin F 16 hPsin e - F - 4 3 2 3 ï p. 488-489; DUPRAZ e NIEMEIER, 1981, p. 394; ï NIEMEIER, 1985a, p. 160, 171; JÄGER e BILL, 1986, p. 75 - F cot 192 e n 16 nhPFsinF cos C PF - e 8 ¢ 2 hPsin 2 F cos 2 F + 128 e 4 n 3 P 2 F 3 ï 79; MARSHALL, 1989, p. 98 -112). + 32 e 2 e¢ 2 nP 2 Fsin 2 F + e 8 ¢ 4 P 2 sin 3 F cos ] F ï , þ As medidas locais de acurácia são aquelas obtidas das submatrizes da matriz Q ; cada submatriz x ˆ em que utilizada é a portadora da informação de acurácia das e¢ n = incógnitas de um ponto ou de dois pontos da rede e + ¢ e , (29) geodésica. A = sinb As medidas globais de acurácia são aquelas 1 sinb , (30) 2 B = cosb obtidas da matriz Q completa, a qual é a portadora das x ˆ 1 cosb , (31) 2 D informações de acurácia da rede geodésica como um F = arccos ( + cosBA ) l , (32) todo. Bsin lD C = , (33) sinF m = 1- C , (34) 2 o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 1-15, dezembro 2001.

UMA ABORDAGEM SEMI-AUTOMÁTICA PARA EXTRAÇÃO DE FEIÇÕES CARTOGRÁFICAS Helien Eda Rodrigues Gato Nilton Nobuhiro Imai Antonio Maria Garcia Tommaselli Universidade Estadual Paulista -Unesp Faculdade de Ciência e Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas Rua Roberto Simonsen, 305, C.P. 957, 19.060-900 Presidente Prudente, S.P. [email protected], [nnimai, tomaseli]@prudente.unesp.br RESUMO Este trabalho apresenta o estudo e implementação de uma abordagem semi-automática para extração de feições que representam regiões, a partir de imagens digitais. Os testes foram feitos por meio de um protótipo implementado na linguagem C++ Builder. Esse protótipo oferece um conjunto de ferramentas, baseadas nas técnicas de processamento digital de imagens e computação gráfica, com intuito de otimizar o processo de extração de feições através da semi- automatização de algumas operações manuais. Os resultados práticos obtidos, através de diversas combinações de processamento, são apresentados e discutidos, mostrando que a abordagem semi-automática é viável e robusta. ABSTRACT This work presents the study and implementation of a semiautomatic approach for feature extraction that represent areas, from digital images. The tests were made by a prototype that was implemented in the C++ Builder Programming Environment. This prototype offers a group of tools, based on techniques of digital image processing. The pratical results obtained, through sundries combination of processing, are presented and discussed, showing that the semiautomatic approach is viable and robust. Palavras Chaves: Processamento Digital de Imagens, Segmentação, Extração Semi-Automática de Feições. O método semi-automático (ou assistido) é 1. INTRODUÇÃO caracterizado pela interação do operador com o sistema, ou seja, o operador é responsável por tomar decisões. A obtenção de informações espaciais a partir de O presente trabalho tem como objetivo a imagens digitais ainda é um processo a ser aprimorado. investigação de uma abordagem semi-automática para Com a evolução da informática, a cada dia se extração de feições que representem regiões, baseada torna mais viável o desenvolvimento de métodos mais nas técnicas de processamento digital de imagens. eficientes para a extração de feições lineares em imagens digitais. Como os métodos totalmente 2. EXTRAÇÃO DE FEIÇÕES automatizados ainda não são satisfatórios, pois geram bons resultados somente quando aplicados à imagens As principais etapas de um processo de extração controladas, uma alternativa é procurar desenvolver de feições podem ser classificadas da seguinte forma: métodos semi-automáticos para a extração de feições. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

Pré-processamento: possui a função de melhorar Woods, 1993). A descontinuidade é responsável por a qualidade da imagem quando ela apresenta distorções particionar uma imagem com base na informação de radiométricas e ruídos, como uma forma de tentar mudança abrupta do nível de cinza ou textura, sendo melhorar os resultados das fases posteriores; normalmente utilizada na detecção de pontos isolados, Segmentação: tem a função básica de particionar linhas e bordas. Por outro lado, os algoritmos baseados a imagem em diversas partes ou objetos constituintes. em limiares, algoritmos de crescimento de regiões, Um fator importante é a escolha do tipo de segmentador, subdivisão e união (“splitting and merging”) tentam que pode ser mais adequado a segmentar limites agrupar os pixels de acordo com alguma medida de (bordas) ou regiões. Essa etapa é fundamental para se similaridade. obter um bom resultado no processo de extração; Refinamento: essa etapa é responsável pela 2.1.1 Crescimento de região filtragem dos objetos segmentados, pela identificação e extração das informações que caracterizam um objeto Enquanto os métodos de detecção de borda ou feição; utilizam a diferença de valores de pixel, ou seja, Vetorização: é responsável por definir os descontinuidades no nível de cinza da imagem, elementos que geram a representação vetorial da feição; algoritmos como o de crescimento de regiões realizam Base de conhecimento: não é considerada uma busca por grupos de pixels com alguma exatamente uma etapa, mas fornece heurísticas e propriedade de similaridade, caracterizando os pixels de parâmetros que direcionam o processo computacional. uma área com brilho similar como pertencentes a uma Pode-se integrar a qualquer uma das etapas acima mesma região. citadas. Um exemplo de caso pode ser dado através de Inicialmente, o método começa com um pixel e, a algum parâmetro inicial fornecido pelo usuário, ou partir daí, examina seus vizinhos, numa seqüência, para heurísticas pertinentes a uma situação específica no decidir se eles possuem brilho similar, segundo o processamento. critério de similaridade escolhido. Se os pixels vizinhos A figura 1 mostra como estas etapas interagem analisados forem aceitos como similares, então eles são entre si. agrupados ao pixel inicial (semente) para formar uma região. Desta forma, as regiões vão sendo desenvolvidas a partir de pixels sementes (únicos) (Pavlidis, 1982). Imagem Digital Uma forma melhorada é não começar com pixels, mas com uma partição da imagem em um conjunto de pequenas regiões. Um teste de uniformidade é, então, Pré-processamento aplicado a cada região. Se o teste falhar, a região é Base subdividida em elementos menores até que todas regiões Segmentação fiquem uniformes. Então, as regiões se desenvolveriam de de regiões menores. A vantagem em usar pequenas regiões ao invés de pixels é a redução da sensibilidade Conhecimento Refinamento ao ruído (Gonzalez e Woods, 1993). Foi realizada uma pequena adaptação desse Vetorização método através da utilização de diversos critérios como medida de similaridade. Imagem Vetorizada 2.1.2 Segmentação através de nível de brilho médio Fig.1 - Etapas do processo de extração de feições. Um dos critérios de uniformidade é baseado na (Adaptado de Gonzalez e Woods, 1993) comparação da máxima diferença entre o valor de um pixel (P) e a média (m) sobre a região. Para uma região 2.1 Segmentação R de tamanho N tem-se: A Segmentação é uma etapa fundamental no m = å processo de extração de feições, pois dela depende o 1 eventual sucesso ou fracasso do mesmo. Vários métodos f ( ) P (1) P R˛ N para segmentação de imagens digitais são descritos em Gonzalez e Woods (1993), Rosenfeld e Kak (1982), então a região é considerada uniforme se Hord (1982), Mascarenhas e Velasco (1989), Pavlidis (1982) e podem ser empregados no desenvolvimento de ( ) P - m < (2) max f T P R˛ ferramentas para extração de feições. Os algoritmos de segmentação para imagens para algum limiar T, onde T pode ser representado monocromáticas geralmente são baseados em duas como uma heurística ao processo (Gonzalez e Woods, propriedades básicas dos valores de níveis de cinza, que 1993). são as descontinuidades e as similaridades (Gonzalez e o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

onde: 2.1.3 Outros critérios de uniformidade n 1 : número de elementos do grupo 1, ou seja, da semente; e O critério de uniformidade da equação (2) n 2 : número de elementos do grupo 2, ou seja, da apresenta-se pouco eficiente devido aos efeitos da janela de varredura. região classificada segundo a confiabilidade das estimativas da região pela média, o que torna o teste O valor de t é comparado com o valor da tabela muito exigente na decisão de incluir um pixel na região. (tabela estatística da distribuição t de Student, vide Uma alternativa proposta neste trabalho é baseada em apêndice III de Spiegel, 1985.) ao nível de significância um valor da média (m) e desvio padrão (s) da vizinhança (a) estabelecido e com (n 1 + n 2 -2) graus de liberdade. do pixel semente, podendo assim utilizar o critério de As duas populações (semente e varredura) são similaridade a seguir: consideradas estatisticamente iguais se o valor de t (em m - D < ( ) P < m + D (3) valor absoluto) for menor que o valor da tabela. m f m onde: 2.1.5 Segmentação através de limiares D = m k s. (4) Nesta abordagem, o critério de uniformidade é definido a partir de limiares, verificando se o valor de f P - 2 (5) brilho do pixel em análise (p) enquadra-se na medida de å ( ( ) m) similaridade adotada. Foram adotadas três formas s = P R˛ possíveis para esse critério: N -1 a) p < (limiar 1) b) p > (limiar 1) e k: representa o número de desvios padrões aceitos. c) (limiar 1) < p < (limiar 2) Para diminuir a grau de exigência no teste de um Dessa forma, o pixel p será adicionado à região pixel, basta aumentar o número de desvios padrões se a sentença selecionada for verdadeira. Apesar de o aceitos como variação da população. método ser bem simples, ele apresenta-se muito robusto quando se leva em consideração que os limiares são 2.1.4 Comparação de médias amostrais definidos pelo próprio usuário. Essa definição pode ser Uma abordagem um pouco diferente de feita com base nos dados do histograma de uma sub- uniformidade pode ser empregada comparando-se as região da imagem onde o objeto a ser segmentado se estatísticas de uma região inicial (máscara da semente) encontra. Como os histogramas dessas sub-imagens do com as estatísticas calculadas em outras regiões vizinhas mundo real não possuem um modelo de representação (máscara de varredura). Se elas estão próximas uma da padrão, tornou-se inviável a utilização de algoritmos de outra, isto é, se as regiões podem ser consideradas detecção de limiares automáticos. estatisticamente iguais, então elas são chamadas de uniformes e o pixel central da segunda é classificado 2.2 Refinamento como pertencente à região que está sendo segmentada. Um critério adotado para a implementação desse As técnicas de segmentação produzem dados na método foi baseado na distribuição “T de Student” forma de limites (bordas) e regiões. A etapa de (Spiegel, 1985) com o teste t para observações refinamento engloba todos os outros processos independentes para comparar duas populações (semente necessários para concluir a extração (detecção de e varredura). Inicialmente é necessário estabelecer o contorno, afinamento, rotulação, ajustamento). O nível de significância (a) e em cada iteração calcular: refinamento é responsável por filtrar e classificar os dados obtidos pelo processo de segmentação, • média da semente (m 1 ) e da janela de varredura (m 2 ) encontrando o conjunto de pixels que representem as 2 feições. • variância da semente ( s ) e da janela de varredura 1 Após a segmentação de uma imagem ou região, é 2 ( s ); necessário classificar os dados obtidos em uma 2 estrutura adequada para que o processo de extração de • variância ponderada n - 2 n - 2 feições seja concluído. Uma das formas de se realizar s = ( 1 1) s + ( 2 1) s 2 essa tarefa é pelo processo de conexão (“linking”), 2 1 n + n - (6) ( 2) responsável por conectar todos os pixels pertencentes a 1 2 uma mesma borda, constituindo, assim, uma única m - feição. Esse processo pode ser realizado pelo método de • Valor de t = 2 m 1 ö (7) conexão por varredura e rotulação (Zhou et al., 1989). s ç + 1 ÷ Porém, quando o resultado da segmentação é uma æ 1 2 Ł n ł região, a tarefa seguinte será determinar, primeiramente, n 1 2 o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

quais pixels pertencem ao contorno para, depois, que têm, pelo menos, um vizinho que não pertença a R, classificá-los em segmentos distintos. onde R representa uma região. Portanto, o processo de perseguição de contorno procura encontrar todos os elementos que formam o 2.2.1 Inundação de contorno contorno de uma região, através de uma análise de A inundação de contorno é um algoritmo vizinhança local. recursivo que analisa as extremidades da região segmentada por um processo de inundação (seed-fill). 2.2.2.1 Traçado de um único contorno Através desse algoritmo, são detectados e rotulados Os pixels de um contorno podem ser percorridos apenas os elementos pertencentes ao contorno da região. por um caminho, e sempre é possível escolher um Para a execução do algoritmo, é necessária a caminho fechado para a travessia. O algoritmo existência de um elemento (p) como ponto de partida ao TRAÇAR (Pavlidis, 1982), mostra uma forma particular processo. Esse pixel inicial deve pertencer ao contorno e de travessia. Ele usa o conceito de 8-vizinho com a pode ser obtido através da etapa de segmentação por notação mostrada na figura 3 para indicar a próxima crescimento de região. A partir do pixel inicial, o direção a ser percorrida em relação ao pixel P. método consiste em rotular todos os pixels vizinhos ao pixel atual, sendo que, para um elemento ser rotulado, 3 2 1 ele deve ter, pelo menos, um vizinho pertencente ao 4 P 0 fundo, ou seja, ser um elemento do contorno. Assim, o 5 6 7 método vai classificando todos os elementos que pertencem ao contorno (borda). Fig. 3 - Direção de travessia. (Adaptado de Pavlidis, a) p: ponto inicial b) primeiro ponto rotulado 1982) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 O algoritmo pode ser descrito como um 1 1 observador que caminha ao longo de pixels que 2 2 3 p 3 X pertencem ao conjunto e seleciona o pixel disponível 4 4 5 5 mais à direita. O pixel inicial A pode ser encontrado de 6 6 7 7 vários modos, inclusive através de uma varredura na 8 8 imagem de cima-para-baixo, da esquerda-para-direita. O a a c) 2 . etapa d) 3 . etapa traçado termina quando o pixel atual for igual ao pixel 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 inicial. Considerando que essa também é a condição 1 1 X X 2 X 2 X inicial, criou-se o rótulo “início” para distinguir o 3 X X 3 X X começo do retorno ao ponto inicial (fim). 4 X 4 X 5 5 X X O algoritmo TRAÇAR adota a seguinte notação: • 6 6 7 7 A é o ponto de partida do contorno da região R; • 8 8 a a C é o ponto atual cuja vizinhança é examinada; • e) 4 . etapa f) 5 . etapa 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 S indica a direção de procura em termos do código 0 0 da figura 3; 1 X X X 1 X X X X • 2 X 2 X B indica o elemento a ser investigado; • 3 X X 3 X X 4 X 4 X início é o flag que é Verdade apenas quando o 5 X X X 5 X X X traçado começa; e 6 X 6 X X • 7 7 8 8 achou é o flag que é Verdade quando um próximo ponto (elemento) no contorno é encontrado; Fig. 2 – Etapas da rotina de inundação de • Observação: os comentários sobre o algoritmo estão contorno.(Fonte: Gato, 2000) entre chaves “{}”. Observa-se, na figura 2, o objeto segmentado Início do Algoritmo (região cinza) e o seu fundo branco (não-cinza), sendo Aç um ponto no contorno; {ponto de partida} CçA; Sç6; inícioçVerdade; o pixel p o ponto inicial do processo, inicialmente Enquanto C „ A ou início = Verdade faça rotulado. Pode-se observar que dos seus 8-vizinhos, Inicio apenas três são elementos do contorno, sendo esses achouçfalso; também rotulados recursivamente. No exemplo, X é o BçS -1; {o vizinho (S -1) de C} Enquanto achou = falso faça rótulo adotado. Início O processo termina quando todos os elementos Se B ˛ R pertencentes ao contorno estiverem rotulados. então Início CçB; SçS - 2; achouçVerdade; Fim 2.2.2 Perseguição de contorno senão Início BçS; {o vizinho S de C} O contorno de um conjunto conectado de pixels Se B ˛ R R é definido como o conjunto de todos os pixels em R o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 então Início 0 0 CçB; achouçVerdade; 1 1 Fim 2 2 3 X 3 X senão Início 4 X 4 X BçS + 1;{o vizinho (S+1) de C} 5 C 5 X C Se B ˛ R 6 6 7 7 então Início 8 8 CçB; achouçVerdade; e) S=6 f) S=0 Fim 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 senão SçS + 2; 0 0 Fim 1 1 2 2 Fim 3 X 3 X Fim 4 X 4 X inícioçfalso; 5 X X 5 X X 6 C 6 X C Fim 7 7 Fim do Algoritmo. 8 8 g) S=0 h) S=2 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Fig. 4 - Algoritmo TRAÇAR. (Adaptado de Pavlidis, 0 0 1 1 1982). 2 2 3 X 3 X 4 X 4 X A figura 5 mostra uma pequena simulação do 5 X X 5 X X C 6 X X C 6 X X X algoritmo descrito na figura 4. 7 7 8 8 2.3 Vetorização Fig. 5 – Exemplo de perseguição de contorno. Nesta etapa estão incluídos os processos para ajustar as retas detectadas (bordas/contorno) pelas 2.3.2 Ajustamento pelo Método dos Mínimos etapas anteriores e encontrar, então, as interseções entre Quadrados elas, ou seja, os vértices que definem a feição. Na Tendo-se uma seqüência de pontos = ( verdade, no presente trabalho, esse processo encontra-se S i,j (x 1 ,y 1 ), (x 2 ,y 2 ),... ,(x n ,y n ) ), originados a partir de uma acoplado ao algoritmo de perseguição de contorno. função desconhecida f, deseja-se determinar uma equação da reta g, que melhor se aproxima de f. Como a 2.3.1 Determinação das equações de retas detectadas função aproximada g nem sempre é idêntica à f, tem-se a A rotina de perseguição de contorno faz introdução de um erro ou resíduo (v i ) a cada elemento chamadas ao processo de ajustamento. Cada pixel do conhecido. Porém, para que g seja a melhor contorno vai sendo rotulado numa seqüência, sendo que aproximação de f, é necessário que os resíduos (v i ) o rótulo está associado a uma reta que é definida pelo sejam minimizados. A equação (8) tem se mostrado ajustamento dos pixels deste. O processo de ajustamento adequada para a minimização dos resíduos: é executado para cada novo pixel que é perseguido, a n partir do momento em que o contorno possui pelo å v = 2 i minimo (8) menos três pixels, pois com três pontos já se torna viável i 1= o ajuste. Após a identificação dos pixels que pertencem De todas as funções que se ajustam ao conjunto a uma dada reta (de mesma rotulação), é feita a de pontos S i,j , a que tem a propriedade de apresentar o determinação da equação da reta que melhor se ajusta mínimo valor de å 2 aos mesmos (ajustamento). Para tanto, o método dos n mínimos quadrados (M.M.Q.) foi utilizado. Este método v i é definida como a melhor i 1= consiste em minimizar as distâncias entre os pontos e a função de ajustamento (Spiegel, 1985), isto é, ela ajusta reta a que são ajustados, ou seja, obter a melhor equação os pontos com o critério dos mínimos quadrados. O da reta para representar esses pontos. No caso de uma método dos mínimos quadrados é amplamente utilizado minimização insuficiente, a reta pode ser quebrada em nos problemas de ajustamento em diversas áreas de outras menores, até o momento que elas estejam dentro pesquisa. Considere a figura 6, na qual a seqüência S i,j de um limite de qualidade (previamente estabelecido). de pontos está representada por ((x 1 ,y 1 ), (x 2 ,y 2 ), (x 3 ,y 3 ), (x 4 ,y 4 ), (x 5 ,y 5 ), (x 6 ,y 6 )). Observe os resíduos v 1 , v 2 , v 3 , v 4 , e e os a) A: ponto inicial, CçA, S= 6; b) S= 6 v 5 v 6 formados pela diferença existente entre y i 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 valores correspondentes determinados na reta r. 0 0 1 1 2 2 3 C 3 X 4 4 C 5 5 6 6 7 7 8 8 c) S=6 d) S=0 o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

3. PROTÓTIPO PARA EXTRAÇÃO DE FEIÇÕES POLIGONAIS O protótipo foi desenvolvido através do ambiente (x 5,y 5) r C++ Builder, permitindo a utilização de técnicas de (x 3,y 3) v 5 v 6 programação orientadas a objeto, a eventos e a (x 1,y 1) v 3 tradicional programação estruturada. Os recursos do (x 6,y 6) v 4 ambiente oferecem grande facilidade para manipulação (x 4,y 4) v 1 v 2 de imagens, bancos de dados e interfaces gráficas no (x 2,y 2) ambiente “Windows”. A definição do sistema foi baseada na necessidade de gerar um ambiente versátil, capaz de abrir, processar e visualizar diversas imagens em tons de cinza. O protótipo oferece uma variedade de Fig. 6 - Reta r ajustada. ferramentas para manipulação das imagens, destinadas ao pré-processamento, análise do usuário, configuração Neste trabalho, deseja-se obter as equações das do “software”, fornecimento de heurísticas e as retas que melhor definam o contorno de um objeto. ferramentas básicas para a realização da extração de Assim, a partir da equação da reta: feições. A geração de uma interface amigável e didática y = ax + b (9) permite que o usuário abra a imagem a ser processada, escolha a opção de processamento desejada, determine o onde são conhecidos os valores de x e y, deseja-se obter objeto a ser processado e visualize o resultado obtido. os valores de a e b que minimizam os quadrados dos Isso permite a análise das etapas que compõem o resíduos em (8), ou seja, processo de extração, ou seja, é possível realizar uma å v = n y - ax - b) (10) etapa apenas ou escolher uma combinação delas até n 2 2 chegar à realização total do processo. i 1= i 1= i å ( i i A figura 7 mostra a interface do protótipo de extração de feições “SEF”. Este problema é caso particular de ajustamento conhecido por Regressão Linear (Humes et al., 1984). A solução do sistema é dada, de forma simplificada, por: å x y n å x y - = i 1 i i n = = i 1 i i N a (11) æ n ö 2 ç å x ÷ å x 2 - Ł = i 1 i ł n i N = i 1 e å y å x n n b = i=1 i - i=1 i Fig. 7 - Interface do sistema protótipo “SEF” (12) a O sistema trabalha apenas com imagens no N N formato de mapa de bits (bitmap), ou seja, com extensão “bmp”. Observa-se que essa parametrização apresenta alguns problemas quando as retas são verticais, pois O menu principal disponibiliza as principais nessas situações, o denominador em (11) se anula. Uma opções do sistema. O menu Arquivo oferece acesso às forma de solucionar esse problema é através da operações correspondentes à manipulação dos arquivos de imagens e de banco de dados, além de permitir a utilização de duas parametrizações distintas, uma adequada ao modelo horizontal e a outra adaptada ao finalização do programa. O menu Visualização oferece modelo vertical. Se no modelo horizontal, x é a variável as opções “plotagem” e “banco de dados”. “Plotagem” independente e y é a dependente, no modelo vertical, x corresponde ao processo de visualização das feições já será a variável dependente. Deve-se considerar que a extraídas que foram armazenadas numa base de dados e “banco de dados”, à visualização dessa base de feições. definição será modificada, pois agora os resíduos horizontais em vez dos verticais serão considerados. O menu Ferramentas disponibiliza as diversas técnicas Isso corresponde a uma troca entre os eixos dos x e dos de processamento de imagem existentes no sistema. y. Essas duas parametrizações conduzem a retas de mínimos quadrados distintas. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

4. RESULTADOS Região selecionada Os testes foram realizados tanto com imagens pela caixa delimitadora padrão, geradas pelo programa “PaintBrush”, como em imagens reais. O tipo padrão possui figuras geométricas Objeto segmentado de vários formatos e posições. As reais correspondem a fotos aéreas da área urbana de uma cidade, na escala 1:8000. A figura 8 demonstra os dois casos. Figura 9 - Segmentação numa imagem padrão. (Teste 1) •Teste 2: (Variação do tamanho da janela e K fixo) Utilizou o algoritmo de segmentação por crescimento de a) b) região com critério de similaridade “média e desvio Fig. 8 - Exemplo de imagens: a)Padrão e b)Real. padrão” aplicado à imagem real original; •Parâmetros: Máscara: 3x3, 5x5, 7x7, 9x9, 11x11, 13x13 e 15x15 respectivamente, com k=2. 4.1 Segmentação por Crescimento de Regiões a) 3x3 b) 5x5 c) 7x7 A seguir, serão apresentados os diversos $ m=181,77 $ m=182,44 $ m=182,61 resultados obtidos com as técnicas de segmentação implementadas no sistema. k $ s =2,95 k $ s =5,04 k $ s =5,49 A figura 9 exemplifica o modelo de atuação do processamento, além do resultado do teste 1 quando aplicada a uma imagem padrão. Para cada teste, é necessário, que o usuário selecione a área de extração e posteriormente forneça um ponto de partida (pixel semente) ao processo, que é dado através de um simples d) 9x9 e) 11x11 f) 13x13 “clique” do mouse (botão esquerdo) sobre o objeto a ser $ m=181,85 $ m=180,31 $ m=177,93 segmentado. k $ s =8,45 k $ s =15,13 k $ s =24,83 •Teste 1: Utilizou o algoritmo de segmentação por crescimento de região com critério de similaridade “média e desvio padrão”. •Parâmetros: Máscara: 3x3 (representa a amostra da g) 15x15 região definida pela máscara de 3 pixels de largura por 3 $ m=174,25 de comprimento) e k=2, onde k representa o número de k $ s =36,27 desvios padrões (^s $ s ) aceitos em torno do valor médio estimado ( $ m). Os pixels da região são definidos como sendo { | $ m k- s $ £ x £ $ m k+ s . $} x Fig. 10 - Variação no tamanho da máscara e k=2 fixo (Teste 2). Pode-se observar na figura 10, que os resultados obtidos com as máscaras 3x3, 5x5, 7x7 e 9x9 não foram adequados para a continuação do processo, pois o objeto não foi totalmente segmentado. Isso ocorreu devido às imagens do mundo real possuírem grande variação de tons de cinza e, sendo assim, uma pequena amostra pode não ser representativa do comportamento do objeto em questão. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

a) 3x3 b) 9x9 c)15x15 d) 9x9 e) 3x3 Analisando a variação do valor obtido por (k $ s ), k=2; k=2; k=2; k=3; k=6; pode-se notar que o aumento do número de elementos da amostra está correlacionado a um incremento Fig. 12 - Análise de processamento (1). significativo da variância estimada, como mostra a figura 10, a máscara de tamanho 11x11 com k=2 gerou Conforme os resultados mostrados na figura 12, uma boa segmentação. pode-se verificar que a melhor configuração foi obtida no experimento d). A dificuldade em se obter uma boa •Teste 3: (variação de k) segmentação ocorre devido à grande variação nos níveis Utilizou o algoritmo de segmentação por de cinza do objeto e sua semelhança com certas áreas crescimento de região com critério de similaridade do fundo. Outro fator que também influencia é o “média e desvio padrão” aplicado a imagem real; posicionamento da semente. Este ponto inicial, •Parâmetros: Máscara: 3x3 e k=2, 6, 10 e 14 fornecido pelo usuário, define os pixels da amostra, respectivamente. cujos valores de brilho serão usados para calcular os Nesse teste, uma máscara de tamanho 3x3 é parâmetros, para comparação com o critério de aplicada com os diferentes valores de k conforme mostra similaridade. Portanto, para se obter uma boa a seqüência de imagens na figura 11. O valor médio segmentação é necessário que o objeto possua limites estimado ( $ m) através dos pixels da região definida pela definidos e uma certa homogeneidade no seu interior. máscara 3x3 é 181,77. Os valores de “k $ s ” calculados •Teste 5: em cada seqüência mostra a medida de dispersão obtida Utilizou o algoritmo de segmentação por com a variação de k. crescimento de região com critério de similaridade por comparação de médias amostrais, baseado no teste “T a) k=2 b) k=4 c) k=6 de Student”. Neste caso é necessário configurar alguns k $ s =2,96 k $ s =5,92 k $ s =8,90 parâmetros, dentre eles “semente”, “varredura” e “a”. Os parâmetros usados em a), b) e c) da figura 13 foram: a) semente 11x11, varredura 3x3 e a=0,5%; b) semente 11x11, varredura 3x3 e a=10%; c) semente 3x3, varredura 3x3 e a=0,5%. d) k=10 e) k=14 k $ s =14,80 k $ s =20,74 a) b) c) Fig. 13 - Resultados da segmentação. Fig. 11 - Máscara 3x3 fixa com k variando. Comparando as imagens da figura 13, pode-se É possível perceber que os experimentos d) e e) verificar que, nesse caso (imagens do mundo real), quando a amostra da semente é maior e a apresentaram os melhores resultados. Mesmo com uma menor, o amostra pequena (3x3), o aumento do limiar de resultado dessa segmentação torna-se mais adequado aceitação em torno da média (k) conseguiu representar a (experimento a), pois, quanto maior a semente, as variação existente na região. Observa-se que nesse caso estatísticas da região inicial serão mais representativas específico (objeto e fundo bastante distintos), o valor do comportamento do objeto e as regiões vizinhas tem adequado de k foi acima de 6. maior chance de serem classificadas como pertencentes ao mesmo objeto. Esse critério de similaridade é muito •Teste 4: (variação da máscara e em k) rígido para segmentar imagens reais e sua utilização é Utilizou o algoritmo de segmentação por mais adequada na segmentação de padrões de textura, crescimento de região com critério de similaridade pois, uma pequena região semente (inicial) pode conter “média e desvio padrão” aplicado a imagem real toda a variação de níveis de cinza necessária para original; classificar o restante do objeto. A figura 14 mostra os A Figura 12 mostras os resultados obtidos com objetos segmentados b) e c) que possuíam, diversos tamanhos de máscaras e valores de k. anteriormente, o mesmo padrão de textura do objeto a). o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

limiares utilizados no item a) são: limite inicial: 163 e a) limite final: 187, já em b) limite inicial: 64 e final: 83. Pode-se observar que a segmentação no experimento b) não conseguiu classificar todos os pixels do objeto como pertencentes à mesma região. Porém, b) mesmo quando isso acontece, se as bordas externas ficarem bem definidas, ainda é possível continuar o c) processo. Na figura 16 a segmentação ultrapassou os limites do objeto. Neste caso, não é possível o prosseguimento do processo de extração, pois a próxima etapa necessitaria de uma borda coerente para ser Figura 14 - a) Padrão original, b) Segmentação com perseguida. a=10%, c) Segmentação com a=0,5%. Percebe-se que, quando aplicado a padrões de textura, esse critério apresenta-se bem eficiente, segmentando o objeto facilmente por diversos critérios de similaridade (variações em a). •Teste 6: A segmentação através de limiares necessita do histograma da região a ser segmentada, a partir do qual os valores de limiar são fornecidos. A figura 15 mostra esse processo de segmentação aplicado em duas regiões (a) e (c) e seus respectivos histogramas (b) e (d). Fig. 16 - Segmentação com limiares 63 e 89. Existem casos, em que a caixa delimitadora pode (a) solucionar alguns problemas. Por exemplo, quando se sabe que a segmentação vaza em algum canto do objeto, é conveniente eliminar esse canto problemático da área de processamento. Caso a distância entre os limites (limiares) fosse diminuída, o objeto não seria completamente segmentado, e se fosse aumentada, os (b) limites do objeto seriam ultrapassados. Portanto, apenas alterar os limiares não seria suficiente. A figura 17 mostra o resultado obtido pela segmentação da mesma área da figura 16, com uma delimitação que eliminou o canto inferior esquerdo (vazamento). (c) (d) Fig. 15 - Segmentação através de limiares. Fig. 17 - Eliminação dos cantos problemáticos. Na figura 15 cada pixel vizinho da semente será Em todas as segmentações, a região segmentada classificado como pertencente ao objeto se seu valor de fica pintada de preto para indicar que essa área foi brilho estiver entre os dois limiares já escolhidos. A classificada como pertencente ao objeto. configuração para a classificação do objeto em relação aos limiares pode ser mudada para utilizar apenas um limiar, ou, como nesse caso, 2 limiares. Os valores de o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

4.2 Testes das Rotinas de Extração Fig. 19 - Polígono resultante do ajustamento de retas inicial. A figura 18 indica o tipo de referencial empregado no processo de extração do SEF. O sistema permite um refinamento dos resultados, através da configuração de alguns parâmetros. Neste caso, considerando-se os coeficientes 0,0 colunas (x) angulares com a diferença entre -0,2 e +0,2 como similares, caso as retas possuam a mesma direção de ajustamento. Na tabela 2 e figura 20 são mostrados os resultados após o refinamento. TABELA 2 - BANCO DE FEIÇÕES APÓS Linhas (y) REFINAMENTO. Fig. 18 - Sistema referencial da imagem. A seguir serão apresentados os resultados obtidos na segunda fase do processo de extração de feições. •Teste 1 Antes da execução desta rotina, é necessária a criação ou seleção da tabela de banco de dados onde as Percebe-se que as retas 1, 2 e 3 foram retas que definem o objeto serão armazenadas. O banco agrupadas em uma única reta e seus pontos reajustados. de feições armazena cada reta que compõe o objeto A figura 20 mostra a visualização desses resultados. extraído. A tabela 1 mostra o banco de feições gerado para o objeto extraído na figura 19. TABELA 1 - BANCO DE FEIÇÕES Reta originada a partir das retas 1, 2 e 3. Fig. 20 - Polígono resultante após o refinamento. •Teste 2: onde : Esse teste foi efetuado sobre uma imagem real • pol: indica o polígono que foi extraído; original (não foi suavizada). Foi utilizado o processo de • id: é o número identificador da reta; segmentação por crescimento de região, critério de • xi, yi e xf, yf: são as coordenadas correspondentes ao similaridade “média e desvio padrão”, com máscara de ponto inicial e final da reta; tamanho 15x15 e k=2. • np: número de ponto da reta; A tabela 3 mostra o banco de feições gerado para • a e b: parâmetro da equação da reta (y=ax+b); o objeto extraído da figura 21 b). • flag_h: variável booleana que indica o tipo de referência utilizada para o ajustamento da reta, podendo ser horizontal (true) ou vertical (false); TABELA 3 - BANCO DE FEIÇÕES. A figura 21 mostra uma seqüência de processamento. O item a) representa o resultado da o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

execução da rotina de inundação de contorno para que proporcionava problemas de segmentação. A figura classificar os “pixels”, que pertencem ao objeto 23 e a tabela 5 mostram os resultados dessa extração. segmentado, que correspondem aos elementos de borda. Em b) foi realizado o ajustamento de retas em relação aos pixels de contorno. Fig. 23 - Exemplo de extração. a) contorno b) 6 retas ajustadas Fig. 21 - Resultado da extração inicial. TABELA 5 - RESULTADOS INICIAIS DO PROCESSO DE EXTRAÇÃO. Após a etapa de extração, ainda é possível refinar os resultados. Caso seja útil a eliminação das retas com menor número de pontos, o refinamento pode ser configurado para considerar apenas retas com uma quantidade mínima de pontos. Nesse caso, mínimo de 8 pontos (np) e então o refinamento deve ser executado. A tabela 4 e a figura 22 mostram o resultado da plotagem das retas extraídas após o refinamento com os parâmetros acima. TABELA 4 - BANCO DE FEIÇÕES APÓS REFINAMENTO. Nesse caso onze retas foram geradas para representar o objeto da figura 23. Analisando a tabela 5 observa-se que a quarta e quinta reta (id) possuem número de pontos (np) igual a quatro, na nona reta “np” vale seis e na primeira oito. Como existe uma grande diferença entre o número de pontos dessas retas e das outras, pode-se tentar aprimorar esse resultado pela execução do processo de refinamento, alterando o mínimo de pontos necessários para 9. Na figura 24 e tabela 6 tem-se os resultados obtidos com esse refinamento. Fig. 24 - Mínimo de pontos igual a nove. Fig. 22 - Retas extraídas após refinamento. Nesse caso é possível perceber que todo cuidado deve ser tomado ao modificar os parâmetros do TABELA 6 - RESULTADOS DO REFINAMENTO. refinamento, pois nem sempre as retas geradas levam à melhor definição do objeto. •Teste 3: Esse teste foi efetuado sobre uma imagem suavizada e segmentada pelo algoritmo de crescimento de região através de dois limiares (limite inicial: 63 e Observando a figura 24, verifica-se que as retas limite final: 85). Pode-se observar que a caixa extraídas são uma boa representação do objeto em delimitadora da área de processamento eliminou um questão, porém ainda existem cinco retas aos invés de pequeno pedaço do canto inferior esquerdo do objeto, apenas quatro (retângulo). o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

A partir dos dados da tabela 6 pode-se refinar o Através dos experimentos observou-se que a processo novamente e, nesse caso, o número mínimo de etapa de segmentação é fundamental para definir o pontos será alterado para pelo menos 16. sucesso do processo. Quando as bordas do objeto não foram razoavelmente segmentadas, torna-se impossível chegar a um bom resultado na extração das feições. Esta etapa ainda deve ser objeto de pesquisas adicionais. A forma com que os dados de cada feição foram armazenados, além da rotina de refinamento, tornou a geração dos resultados robusta, de forma que o usuário pode refinar o processo até chegar ao resultado desejado. A interface de usuário é uma questão importante, pois facilita o desenvolvimento da abordagem semi- automática, em que o usuário deve interagir Fig. 25 - Mínimo de pontos igual a dezesseis. constantemente no processo. Essas ferramentas asseguram uma interface mais poderosa e reduzem o tempo para gerar uma base de TABELA 7 - RESULTADOS DO SEGUNDO dados de feições. REFINAMENTO. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CRÓSTA, Alvaro P. Processamento digital de imagens de sensoriamento remoto. Campinas: IG/UNICAMP, 1992. Após o refinamento com os parâmetros acima, a EKESTRON, M. P. Digital image processing figura 25 e a tabela 7 mostram que a reta 11 foi techniques. London: Academic Press, 1983. eliminada, porém esse tipo de ajuste pode, em alguns casos, gerar uma deformação no objeto devido à FIRESTONE, L. et al. Automated feature extraction: the key to future productivity, Journal of the eliminação de elementos importantes. Uma sugestão seria analisar os coeficientes angulares (a) de todas retas American Society for Photogrammetry and na mesma forma de parametrização, na seqüência de Remote Sensing, Maryland, vol.62, n.6, pp.671- extração. 674, 1996. Mesmo quando o resultado inicial é satisfatório, GATO, H. E. R. Uma abordagem semi-automática a rotina de refinamento deve ser executada, pois dela para extração de feições por crescimento de dependem os valores precisos das coordenadas do regiões em imagens digitais. Presidente Prudente, pontos iniciais e finais de cada reta. 2000. 91p. Dissertação de Mestrado em Ciências É possível a realização de vários processos de Cartográficas. FCT-Unesp, 2000. refinamento, podendo chegar a vários tipos de resultados, cada qual com a precisão necessária, em GEMAEL, C. Introdução ao ajustamento de termos de ajustamento das retas. observações: aplicações geodésicas. Curitiba: O resultado da extração fica armazenado no Editora UFPR, 1994. banco de feições, como mostram as figuras dos bancos GOMES, J e VELHO, L. Computação gráfica: de dados gerados. Portanto podem-se utilizar esses imagem. Rio de Janeiro: Sociedade Brasileira de dados para uma futura reconstrução utilizando as Matemática, 1994. 421p. coordenadas ou os parâmetros. A partir desses resultados, é possível também a geração de arquivos GONZALEZ, R.C., WOODS, R.E. Digital image DXF, que poderiam ser utilizados em outros aplicativos, processing. New York: Addison Wesley, 1993. mas para tanto, os vetores devem sofrer um tratamento GÜLCH, E., MÜLLER, H., LÄBE, T., RAGIA, L. On geométrico adequado. the performance of semi-automatic building extraction. IN: SYMPOSIUM ISPRS, 1998, 8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Ohio, Proceedings... Ohio: ISPRS, 1998, A utilização da abordagem semi-automática Commission III. permitiu que problemas geralmente encontrados no GÜLCH, E. Application of semi-automatic building processamento global pudessem ser reduzidos a uma acquisition. IN: ASCONA WORKSHOP. análise local. Com isso algumas etapas do processo Automatic Extraction of Man-Made Objects manual foram otimizadas, mostrando que essa from Aerial and Space Images (II), Basel: A. abordagem é viável e robusta, necessitando de poucos Grün , 1997. aprimoramentos para se chegar a uma ferramenta comercial. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

HORD, R. M. Digital image processing of remotely TOMMASELLI, A.M.G. e TOZZI, C. L. Extração de sense data. New York: Academic Press, 1982. linhas retas em imagens digitais. IN: Congresso Brasileiro de Cartografia, 16., 1993, Rio de HUMES, A. F. P. C., MELO, I. S. H., YOSHIDA, L. Janeiro, 1993. v.2, p399-409. K. e MARTINS, W. T. Noções de cálculo ZHOU, Y. T., VENKATESWAR, V. e CHELLAPA, numérico. São Paulo: McGraw-Hill, 1984. R. Edge detection and linear feature extracting JAIN, R., KASTURI, R., SCHUNCK, B.G. Machine using a 2-d random field model, IEEE vision. Singapore: McGraw-Hill International, Transactions on PAMI, 1989, v.11, n.1. 1995. LIRA, J., FRULLA, L. An automated region growing SITES CONSULTADOS PELA INTERNET algorithm for segmentation of texture regions in ANTUNES, A. F. B. Análise de Textura em Imagens SAR images, Intenational Journal of Remote de Radar. www.cieg.ufpr.br/textura.htm Sensing, Southampton, vol.19, n.18, p.3595-3606, 1998. GRUEN, Armin, LI, Haihong. Semi-automatic Road Extraction from Digital Images.,1997. MARQUES FILHO, O., VIEIRA NETO, H. www.geod.ethz.ch/p02/projects/safe/safe.html Processamento digital de imagens. Rio de Janeiro: Brasport, 1999. GÜLCH, E., MÜller, H., RAGIA, L. Semi- Automatic Building Acquisition.,1998. MASCARENHAS, N. A., VELASCO, F. R. D. www.ipb.uni-bonn.de/ipb/projects/semi- Processamento de Imagens. 2.ed. São José dos automatic.html Campos: MCT-INPE, 1989. NEWTON, W. An approach to the identification of forest in thematic mapper imagery within the context of a change detection system. London, 1993. Tese (Mestrado em Sensoriamento Remoto) – University College London. NOVO, E. M. L. M. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. 2.ed. São Paulo: Edgard Blucher Ltda, 1992. PAVLIDIS, T. Algorithms for graphics and image processing. Rockville: Computer Science Press, 1982. PRATT, W. K.. Digital image processing. 2.ed. New York: John Wiley & Sons, 1991. PRESS, W. H., TEUKOLSKY, S. A., VETTERLING, W. T. e FLANERRY, B. P. Numerical recipies in C. New York: Cambridge University Press, 1992. RICHARDS, John A. Remote sensing digital Image analysis : an introduction. Berlin : Springer - Verlag, 1986. ROSENFELD, A. e KAK, A. C. Digital picture processing. 2.ed. London: Academic Press., 1982. SCHOWENGERDT, R. A. Techniques for image processing and classification in remote sensing. London: Academic Press., 1983. SILVA, E. A. Extração de feições cartográficas de imagens multiespectrais fundidas. São Paulo, 1995. 109p. Tese (Doutorado em Engenharia) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1995. SPIEGEL, M. R. Estatística. São Paulo: McGraw- Hill do Brasil, 1985. 454p. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 16-28, dezembro 2001.

NEW THEORETICAL RESEARCH TRENDS IN CARTOGRAPHY Robert S. Sluter, Jr. University of Kansas Department of Geography 213 Lindley Hall Lawrence, Kansas 66045-2121, USA [email protected] ABSTRACT th Cartography has been defined as the art, science, and technology of map-making. Until the middle of the 20 Century, cartography was more an art than a science. Beginning in the 1950's, cartographic researchers began to take a more scientific approach to map-making with Robinson's The Look of Maps. In the 1970's, many researchers adopted a communications paradigm for cartography, understanding maps as tools for the communication of information from cartographer to map user. Under this paradigm, cartographers attempted to find the 'optimal' map that would communicate known information to the map-reader with as little 'noise' as possible. With the rapid progress in computer technology afforded by the ubiquitous personal computer, in the last decade a number of cartographic researchers, led by Alan MacEachren, have suggested a new way of understanding how maps work No longer seen as simply tools for communicating known information, maps can be employed to discover the unknown patterns in any phenomenon that possesses a spatial dimension. Rather than attempting to construct the 'best' map, modern computer technology can allow for the construction of a multitude of representations of a phenomenon that can be used to answer different questions posed by individual researchers and reveal hitherto unrealized patterns in the data (data exploration). This new approach is termed 'cartographic visualization'. Based upon research in other fields, including computer graphics, the neurophysiology of the eye-brain system, cognitive science, and semiotics (the science of symbol systems), this newest thrust in cartographic theory has opened up broad new horizons for cartographic research. This has energized the discipline and promises to lead to new insights which will enable us to make better maps. This paper outlines these new approaches to cartographic research. Key words: cartography, visualization, visual cognition, semiotics, visual perception. 1. INTRODUCTION computer, in the last decade a number of cartographic researchers, led by Alan MacEachren (1991, 1992, Cartography has been defined as the art, 1994, 1995), have suggested a new way of science, and technology of map-making. Prior to the understanding how maps work. No longer seen as th 20 Century, cartography was more art than science. simply tools for communicating known information, Since the 1950's, cartographic researchers have been maps can be employed to discover the unknown patterns trying to reverse that order and began to take a more in any phenomenon that possesses a spatial dimension. scientific approach to map-making with Robinson's The Rather than attempting to construct the 'best' map, Look of Maps (1952). modern computer technology can allow for the Beginning in the 1970's, many researchers construction of a multitude of representations of a adopted a communications paradigm for cartography, phenomenon that can be used to answer different understanding maps as tools for the communication of questions posed by individual researchers and reveal information from cartographer to map user. Under this hitherto unrealized patterns in the data (data paradigm, cartographers attempted to find the 'optimal' exploration). This new approach is termed map that would communicate known information to the 'cartographic visualization'. map-reader with as little 'noise' as possible. This Based upon research in other fields, including communications science approach in cartographic computer graphics, the neurophysiology of the eye- research has been criticized at a number of levels: for brain system, cognitive science, and semiotics (the ignoring the many other ways that people use maps; for science of symbol systems), this newest thrust in ignoring the contributions of art in the cartographic cartographic theory has opened up broad new horizons process; and for being an approach that falsely claimed for cartographic research. This has energized the to be objective and unbiased. discipline and promises to lead to new insights which With the rapid progress in computer will enable us to make better maps. Cartography and technology afforded by the ubiquitous personal Geographic Information Science, the premier American o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

scholarly journal devoted to cartography, published a communicating known information to map users, this special issue on 'Research Challenges in approach understood map-making as a five-step process Geovisualization' (edited by MacEachren and Kraak, (Figure 1). First, a phenomenon that is to be studied 2001). The theoretical bases for all of the papers (such as soil texture, the distribution of tree species in a presented in this special issue derive from the new forest, or human population density) is sampled and a research paradigms outlined below. data set is assembled. Then the mapmaker interprets this data set based on various classification and/or 2. COMMUNICATIONS PARADIGM interpolation schemes. Employing this analysis, the cartographer then decides on a design for the map, Beginning in the 1970's, many researchers in which is then produced employing best-practice design cartography adopted a communications paradigm for principles in an attempt to create a map which provides research in the field. Borrowing from communications an 'optimal' representation of the data (and hopefully of systems theory, these researchers attempted to find a the nature of the phenomenon under study). In the last scientific approach to cartographic theory that would step of this process, the user interprets the phenomenon allow for more structure in cartographic research and based upon the cartographer's ability to correctly provide more reproducible results. Seeing maps as communicate his or her ideas. PHENOMENON DATA CARTOGRAPHER’S INTERPRETATION MAP USERS’ INTERPRETATION Fig. 1 - The Communications Paradigm for Cartography. However, there is 'noise' in each step of this interpretation fully or accurately. Lastly, the user may process (Figure 2). First, the data are but a sample of not understand the map completely. So, the aim of the reality of the phenomenon under study, and may not research in this paradigm was to 'reduce the noise level' be entirely representative of it. Second, the and to create the one map which optimally represents cartographer may misinterpret the data and thus provide the phenomenon and successfully communicates this an inaccurate view of the phenomenon. Third, the map information to the map user. design may not communicate the cartographer's PHENOMENON DATA CARTOGRAPHER’S INTERPRETATION MAP USERS’ INTERPRETATION NOISE Fig. 2 - Noise in each step of the process. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

Almost since its inception, and increasingly phenomenon); to create these multiple graphic over the past decade and a half, this approach to summaries in order to explore the data and reveal cartographic research has come under criticism. unknowns as well as to communicate the results of Critiques of the communications paradigm can be analysis; and thus to create more consistently functional lumped under four main topics (MacEachren, 1995): maps. • Is there one optimal map? Is such a thing A key component of this new approach is possible? Or perhaps for some (or most) cartographic visualization. In a 1994 book, MacEachren suggested that we can view the nature of phenomena, a series of maps may be more appropriate to aid in understanding. maps in the form of a cubic space with three dimensions • People use maps in ways other than to or axes (Figure 3). One axis represents the continuum of map purpose ranging from presenting known communicate known information - information to revealing the unknown. A second axis sometimes they can be used to study and representing the continuum of map use ranging from the to gain understanding of the unknown. • The communications paradigm ignores the private or individual domain to the public or social domain. And a third axis representing the continuum art in cartography. • And has provided false claims of of map interaction, from low human-map interaction to high human-map interaction. The corner of the cube objectivity and lack of bias. that marks the point of congruence of presenting known information, with low human-map interaction in the 3. CARTOGRAPHIC REPRESENTATION public domain defines cartographic communication. The corner of the cube that marks the point of Based on these criticisms, a new approach has congruence of revealing unknown information, high been proposed by Alan MacEachren (1995). Called human-map interaction in the private domain 'cartographic representation', the goals of this new defines cartographic visualization. paradigm in cartographic research are: to create multiple graphic summaries of spatial information (rather than relying on one 'optimal' map to represent the Fig. 3 - Cartographic Visualization. Source: MacEachren 1994 o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

But any researcher will move from visualization to with exploring the data set and then confirming his or communication in the course of a research project her findings. This DiBiase calls visual thinking and (DiBiase 1990) (Figure 4). In the beginning, he or she requires multiple maps that are highly interactive. Later will operate in the private domain and will be concerned in the project, the researcher may want to share Fig. 4 - Visualization and Communication. Source: DiBiase 1990 his or her findings with colleagues (synthesis) and then very practical in nature; has been conducted with little present these findings to a more general audience. This user testing; and is atheoretical (that is, these research stage takes place in the public domain and may or may efforts have been conducted with little regard for good not require high human-map interaction or even theory). multiple representations of the phenomenon. DiBiase calls this visual communication. 4. A NEW APPROACH TO CARTOGRAPHIC Table 1 represents an example of what topics REPRESENTATION currently occupy the minds of many researchers in cartography (note that the topics are presented in order MacEachren (1995) synthesized some of the numbers of papers presented in each field). theoretical approaches toward understanding how maps Visualization was among the top research topics and work and pointed the way to creating maps that do what was the theme of many of the papers to be presented we want them to do, but better. His ideas come from under the other topics. Based on this and other national computer graphics, past cartographic research, the and international cartographic conferences, it appears neurophysiology of the eye brain system, cognitive that the 'hot' topics in cartographic research are science, and semiotics (the science of sign systems). He presently: proposed three basic research paradigms. The research • Visualization paradigms of visual perception and visual cognition in • Automatic generalization the private/visualization realm of cartographic space and • Cartography on the Internet and World the research paradigm of semiotics in the public/communication realm of cartographic space (see Wide Web • Electronic atlases Figure 4). These paradigms promise to allow • Maps in Geographic Information Systems cartographic researchers to connect theory to good empirical practice, to help us to understand why some and remote sensing • 3-D and Virtual Reality. cartographic designs work and why some do not, and to form a framework for further cartographic research. All of this research is taking place in a digital These three research paradigms are presented in more environment and: has been driven by technology (by detail below. what is possible with modern computer technology); is o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

TABLE 1 - RESEARCH TOPICS 2001 International Cartographic Conference Beijing Preliminary Program 373 Papers, 24 Topics 75 % of all papers in the top 12 topics 1 GIS and Digital Mapping 2 Mapping on the Internet and World-Wide Web 3 Computer Generalization of Spatial Data 4 Cartographic Theory and Methods 5 Map Design and Production 6 Spatial Data Visualization 7 National and Regional Atlases 8 Satellite Mapping 9 History of Cartography and Historic Maps 10 Cartography and the Environment 11 Education and Training in Cartography 12 Cartography and Children/Gender in Cartography Visual Perception can, to a greater or lesser extent, result in pre-attentive Visual perception is a research paradigm that is processing in that patterns in the information focused on how humans perceive maps, that is, how represented in a map can influence mental images images that come through the eye are formed in the before the viewer's knowledge, past experiences and brain. Research in this paradigm springs from studies in reason can come into play, before viewers can even human neurophysiology and the eye-brain visual think about it. These pre-attentive or bottom-up system. Topics within this paradigm include: processes can, if not taken into consideration during the • How the eye forms images and how they design phase of map-making, mislead the map user or result in conflicts with pre-existing understandings of are transferred to the brain. • How the eye sees color, and what map the phenomenon being mapped, and thus interfere with, or reduce, map functionality. design principles follow from human color perception. • The visual acuity of the eye with Visual Cognition The second research paradigm that implications in regard to symbol size and MacEachren outlined is visual cognition, where existing visual discrimination. • Simultaneous contrast or how colors will knowledge in the mind of the map user is employed to interpret visual scenes through knowledge schemata that appear different based upon differences in act as an interface between what is seen by the eye and the colors of surrounding areas on a map. • Gestalt grouping principles or how map what is understood in the brain. There are three kinds of knowledge schemata that most adult humans possess. users group symbols on a map. That is, The first are propositional schemata, which can be seen how map users form different groups of in geographical terms as declarative knowledge, symbols and how they understand the knowledge about geographical objects, attributes of distribution of the phenomenon depicted those objects, and attributes of places. The second are on the map. • Scanning. How people use their eyes to image schemata, which represent the organization of configural knowledge about space, knowledge of spatial scan a map scene and what implication relationships among entities in space. The third are this has for how they understand the event schemata, procedural knowledge of the sequence information represented. • Figure-ground. How map users separate of steps needed to get from one place to another. They are all applicable to the understanding of maps, but figure from ground, that is, what image schemata and event schemata are the most information they pay attention to and important in relationship to creating maps that work what they see as background information. • Discrimination/Selectivity. How map well. Image schemata are the most important of the users discriminate one symbol from three in the understanding of the majority of map types. another. • Bottom-up versus top-down processing. Based on current psychological research, humans do not actually see 'pictures in the head'. But evidence Bottom-up versus top-down processing plays suggests that we understand and store the meaningful an important role in map design since it deals with pre- attentive processes. Most of the topics outlined above o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

• parts of a visual scene using the same geometrical, Center-Periphery - Some objects grade in attribute symbolic and minimal vocabulary found in maps. quality from the center to the edge. For example, Embodied image schemata are some the most the heartwood of a tree is very different from the fundamental schemata that people possess. They are bark. • schemata that come directly from human experience Source-Path-Goal - In this case, humans travelling with the environment. Some of the most common types in the environment (say walking to school from of embodied image schemata are outlined below: home) have a source at which the journey begins, a • Container - like a gallon of milk, or a jar of jelly, definite path to follow, and a goal in mind. • things are held within a container. Containers have Linear order - This image schema is derived from definite boundaries, and all that is held within is basic linear mathematics in which a lower number usually homogenous in nature (that is, has little is followed by a higher number. Two apples is a variation in composition, texture, etc.). lower number than three apples, while four apples • Up-Down - in terms of the human body (head to follows in the numbering order to get to five apples. foot) or a tree (branches at the top with a large All of these embodied image schemata are believed to trunk in the middle and roots at the base). The up be, more or less, the result of pre-attentive mental direction tends to indicate higher, greater or more processing. That is, they elicit mental images before and the down direction tends to indicate lower, one can bring existing knowledge to bear in smaller or less. understanding a visual scene. For cartography (Table • Front-Back - can be seen in terms of the front or 2), the categories defined in maps are typically back of the human body, the front or back of a car, understood through container schemata. Hierarchical or the front or back of a house. structure in maps is understood through part-whole and • Part-Whole - in terms of something that is part of a up-down schemata. Foreground (or figure) - larger thing, which together with its other parts, background in maps is understood through front-back embodied image schemata, while linear quantity scales makes up the whole. For example, a piece of on map legends are understood in terms of up-down and cheese was once part of a whole cheese, or a human linear order schemata. leg is part of an entire body. • Link - Things can be linked together to create a larger structure (like links in a chain). TABLE 2 - EMBODIED IMAGE SCHEMATA AND MAPS FOR MAPS CATEGORIES CONTAINER HIERARCHICAL PART-WHOLE, UP-DOWN STRUCTURE FOREGROUND- FRONT-BACK BACKGROUND LINEAR QUANTITY UP-DOWN, LINEAR ORDER SCALES Understanding of these different types of map lowest category at the top of the vertical scale, this schemata can aid a mapmaker in making good design interferes with most humans' existing schemata (being decisions. For example, when constructing a vertical counter-intuitive), and makes the legend, and thus the linear quantity scale in the map legend, one should place map, harder to understand, or even results in the map the greater or larger quantity at the top of the scale, viewer's complete misunderstanding of the information grading according to the classification scheme to the represented on the map. lowest at the bottom. If the map designer puts the o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

The significance of these concepts for seen as an approach to understanding all the ways cartography is that maps will be more effective when people communicate with each other. cartographers use these schemata in the design process For cartography, maps can be viewed as tools and the map user employs the same schemata to to communicate meaning primarily through symbols. interpret the maps. The implication here is that the map This implies that there must be a cartographic language designer needs to provide the appropriate cues that will based on symbols that provides a map with meaning. aid the map viewer in selecting the correct map Semiotics is useful in cartographic research because it schemata to apply in understanding the map. Maps will provides a conceptual framework for developing a be more effective when cartographic designs match the cartographic language that takes advantage of the other schemata held by potential viewers, and are easy to approaches discussed above, visual perception and integrate into the general map schemata held by most visual cognition. people. Since all map schemata are learned, user The most important influence of semiotics in training in new map schemata can result in cartography is Bertin's 1967(1983) book Semiology of improvements in the utility and effectiveness of maps. Graphics. He was the first to propose a set of fundamental symbols, called visual variables, that could Semiotics serve as the building blocks for a cartographic language. The third research paradigm outlined by The significance for cartography is that a semiotic MacEachren (1995) is semiotics. Semiotics is the approach can provide a basis for the 'rules' of map science of signs, with sign considered to be a symbolization with implications for map design and the relationship between an expression (the sign-vehicle) creation of expert computer systems that prevent and its referent (content) or what the expression refers mapping novices from creating misleading maps. to. Semiotics derives from studies in linguistics, but is Bertin's original formulation of a set of visual variables broader than spoken or written language and can be for map-making appears in Table 3. TABLE 3 - BERTIN'S VISUAL VARIABLES Level of Measurement Visual Variable Numerical Ordinal Nominal Location X X X Size X X (Color) Value X Texture X Color (Hue) X Orientation X Shape X Note: The X marks those variables that are appropriate for each level of measurement. It is based on the concept of levels of measurement of addition of symbol crispness, resolution and the data depicted on the map - numerical (referring to transparency to depict variations in the certainty of the interval-ratio data levels), ordinal, and nominal. data represented on a map, and added color saturation Varying symbol size, for example, can be useful in and arrangement of symbols to the list of visual depicting variation in the data depicted on the map at variables. numerical and ordinal levels, but is not appropriate for depicting nominal differences in the data. To depict 5. COMMENTS AND CONCLUSIONS variation in nominal data on a map, it is appropriate to vary only color (color hue) and shape. The use of other The three approaches to cartographic research symbol types such as color value, texture or orientation that I have outlined above promise to energize the would end up misleading or confusing the map viewer. discipline, and provide a firm theoretical underpinning Note also that Bertin considered the viewing of these to future advances in the field. There remains much to visual variables to be a pre-attentive process, that is they be done, since research in these areas is just beginning. create a mental image or communicate meaning before For example, in MacEachren's 1995 book How Maps any internal image schemata held by the map viewer is Work, one can find at least five doctoral dissertation brought into play. topics, 10 to 15 master's theses and 25 to 30 interesting Following upon Bertin's original formulation, research projects after only a cursory reading. MacEachren (1995) and others have added to the list of Beyond adopting a firm theoretical background visual variable types that can be treated in this manner for future research in cartography, there are several and refined their understanding. This includes the problems that cartographers face which make their work o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

more difficult or reduce the impact of cartographic us to make that happen quickly. This tendency results research in the improvement of the maps people use in the creation of new types of cartographic applications every day. Most of these problems in research seem to based upon well established design practices, and in the be structural to academic cartography, are based on the absence of any strong theoretical underpinnings. As nature of cartographic research within the academy, and highlighted above, we are just beginning to understand are often due to time and resource constraints. how the human eye-brain system operates to make maps The first problem that I have identified in useful. We need to step back from our love affair with cartographic research is what I call the 'honeybee technology, and start working out some fundamental effect'. A researcher works on a specific problem to the theories of map functionality that will allow us to better limits of his or her ability based on resources or understand why those new computer applications which individual expertise, publishes an article in a scholarly do not work well fail, and why those that do work well journal, and then moves on to a completely different succeed. topic in his/her next research project. Like a honeybee The final problem that I have identified in moving from flower to flower to collect nectar, this cartographic research is the absence of useful user trend in research can have a definite pollinating effect, testing. In research article after research article, new but only if other scholars pick up where the initial cartographic techniques are proposed and programmed, researcher left off. This is seldom done, as each and prototype applications or demonstrations are researcher has his or her own interests and priorities, produced, but seldom have I seen these new techniques and everyone wants to do original research. This results or applications tested with potential map users. in a lot of articles appearing in scholarly journals that Appropriate user testing should be integrated fully mark the beginnings of good ideas, but these good ideas within each and every research project. It is not enough are seldom followed through, and the knowledge and to test the new technique or application informally with understanding that result from this research seldom find a few colleagues or graduate students, because the their way into practical map design. researcher will not know whether his or her new idea Another problem that plagues cartographic actually works. researchers is the issue of 'little science' versus 'big In summary, great advances in cartography science'. Cartography seems to be a marginal research have been made over the last ten years in terms of new effort in most academic institutions, and all the funding cartographic applications in visualization, 3-D, digital seems to go to astrophysicists, nuclear physicists, cartography and with new beginnings now in virtual medical researchers, computer scientists and the like. reality. Many of these advances have been made With all this money, researchers in 'big science' can without user testing - we do not know if the maps gather into large groups and work on major projects that produced actually work. Many of these advances have get tangible results which are relevant to society in been made based on what modern computer technology relatively short periods of time. Advances in the field allows us to do, rather than based upon good theory. come rapidly, and the migration of pure theory into The research paradigms outlined above, visual technology happens relatively quickly. Except for a few perception, visual cognition, and semiotics promise to major centers for cartographic research, most fill this theoretical vacuum and will help us to make cartographers work alone in their departments. It is maps that work better. difficult to do 'big science' and get large research grants, and thus we are limited to doing 'little science', 6. BIBLIOGRAPHIC REFERENCES working on small projects that get tangible results only in the long term. Advances come slowly and the BERTIN, J. Semiology of Graphics: Diagrams, migration of pure theory into technology happens only Networks, Maps. Madison, WI, University of occasionally. Wisconsin Press, 1983. (French edition, 1967). One of the solutions to this problem is for cartographers to become more involved in DIBIASE, D. Visualization in the Earth Sciences. multidisciplinary projects. Working with colleagues Earth and Mineral Sciences, Bulletin of the College within their academic department, or with colleagues in of Earth and Mineral Sciences, Pennsylvania State other departments, advances in cartographic research University, v. 59, n. 2, pp. 13-18, 1990. can be made much more rapidly than working alone, and cartographers can participate in 'big science' at a MACEACHREN, A. M. Visualization Quality and higher level than they do at present. the Representation of Uncertainty. Orono, ME, Another problem in cartographic research is National Center for Geographic Information and the issue of 'practical' versus 'theoretical' research. Analysis, 1991. Since it is difficult to get funding for pure research, it is often necessary for cartographers to adopt the goal of MACEACHREN, A. M. Visualizing Uncertain producing some sort of useful application as the Information. Cartographic culmination of their research effort. We all want to Perspectives, n. 13, pp. 10-19, 1992. make maps work better, and are impatient to use the high powered computer technology that is available to o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

MACEACHREN, A. M. Some Truth With Maps: A MACEACHREN, A. M. and M. Kraak. Research Primer on Design and Symbolization. Washington, Challenges in Geovisualization. Cartography and DC, Association of American Geographers, Geographic Information Science, vol. 28, n. 1, whole 1994. issue, 2001. MACEACHREN, A. M. How Maps Work: ROBINSON, A. H. The Look of Maps. Madison, WI, Representation, Visualization, and Design. New University of Wisconsin Press, 1952. York, The Guilford Press, 1995. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 29-37, dezembro 2001.

ESTAÇÃO DE MARÉS TERRESTRES DA UFPR – HISTÓRICO, MANUTENÇÃO E ESTÁGIO ATUAL DE DESENVOLVIMENTO 1 Sílvia Helena Soares Schwab 2 Camil Gemael 2 Eno Darci Saatkamp 1 Guilherme Buffara Blitzkow 1,2 Universidade Federal do Paraná 1 Departamento de Física 2 Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas Centro Politécnico, Jardim das Américas CP 19044, CEP 81531-990, Curitiba, Pr, Br [email protected]; [email protected]; [email protected] RESUMO A Estação de Marés Terrestres da UFPR (EMTUFPR), foi implantada em 1983 pelo Curso de Pós- Graduação em Ciências Geodésicas e desde então tem sido utilizada para o estudo do comportamento de marés gravimétricas em caráter local e regional, sendo considerada fundamental para a América do Sul. Neste trabalho apresenta-se: (a) um histórico descrevendo as diversas séries de dados e diferentes análises de maré, que permitem caracterizar, com bons fatores de qualidade, os parâmetros locais de maré, e a influência dos parâmetros ambientais sobre os dados gravimétricos gerados na estação; (b) os procedimentos de manutenção dos equipamentos utilizados (gravímetros, sensores de pressão e temperatura, etc.) e de armazenamento local de dados; (c) as etapas para descarga, organização e pré-análise do conjunto de dados coletados; (d) aspectos relacionados aos recursos computacionais atualmente disponíveis para a análise e interpretação de aspectos instrumentais e ambientais; (e) resultados obtidos nos diferentes períodos do trabalho desenvolvido na Estação até a presente data, e as perspectivas para futuro desenvolvimento de pesquisas na área. ABSTRACT The UFPR Earth Tides Station (EMTUFPR) was implanted in 1983 by the Geodetic Sciences Post- Graduation, and has been used to study the gravimetric tides behavior with local and regional character, being considered as fundamental to South America determinations. In this work are presented: (a) an historical description of several data series and different tidal analysis allowing to characterize the local tidal parameters with the necessary quality factors; (b) the used equipment maintenance procedures (gravity meters, air pressure and temperature sensors, etc) and local storage of data; (c) discharge, organization and pre-analysis of collected data; (d) modern computational resources and tools to analysis and interpretation of instrumental and environmental effects; (e) obtained results in different work periods at the Station, until the present date and future research work perspectives in the area. Palavras chaves: marés gravimétricas, Estação de Marés Terrestres de Curitiba, histórico. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

1. INTRODUÇÃO Na figura, em a) mostra-se seu aspecto externo, em b), a A EMTUFPR, foi implantada em 1983, pelo Curso de antecâmara que permite, juntamente com camadas em Pós-Graduação em Ciências Geodésicas (CPGCG), isopor coladas às paredes, o isolamento térmico as sala através do Prof. Dr. Camil Gemael (Gemael, 1985) , subterrânea, e em c) a escada de acesso à sala de com o suporte do IfE (Institut für Erdmessung) de instrumentos subterrânea e em d) o aspecto dos Hannover e ORB (Royal Observatory of Belgium), gravímetros colocados sobre o pilar independente. visando o desenvolvimento de trabalhos na área de Pode-se ver à direita o gravímetro GEO783, e à marés terrestres no Brasil. A estação recebeu o número esquerda o LCRD99. Os sensores de pressão e ICET(International Center of Earth Tides) 7305, e se temperatura estão pendurados no teto, e situam-se no constitui atualmente na Estação Fundamental para a meio da sala, e ao fundo estão colocados os sistemas de América Latina. A EMTUFPR caracteriza-se por ser controle de aquisição de dados (EDAS, mDAS). A uma estação de clima tropical. Então, cuidados especiais umidade do ambiente é controlada para evitar o ataque descrito em Leite (1992) foram tomados durante sua aos componentes eletrônicos. Sua localização e sua construção, em termos de drenagem e isolamento construção dão à estação características especialmente térmico da sala subterrânea onde fica o instrumental de observadas para o abrigo de equipamentos de aquisição. Um pilar independente, fixado em gravimetria, os quais exigem uma estrutura sólida e profundidade garante a estabilidade necessária para as livre de perturbações externas, tais como medidas gravimétricas realizadas sobre ele. Permite a movimentações de pessoas e/ou veículos, e mantendo obtenção de séries com precisão compatível com o atual o variações anuais de temperatura menores que 3 C. A nível de desenvolvimento de pesquisas sobre o mesma é constituída basicamente por dois níveis: o comportamento local dos parâmetros de maré, e 2 térreo, com 10m , no qual há uma ante-sala isolante, e influências ambientais exercidas pela atmosfera e oceano. Suas coordenadas geográficas são f = 25° 27' uma sala onde ficam os equipamentos de energia (no- break, fontes de tensão, conversor 127/220 V. Esta, por 15,25'' S e l = 49° 14' 15,46'' W, situa-se a 80 km do 2 sua vez, comunica-se com uma sala subterrânea de 16m Oceano Atlântico, a uma altitude de 913m. Este trabalho e 3,7m de profundidade através de duas tampas de visa mostrar a história do aprofundamento gradual no metais e uma escada. conhecimento das características locais e influências sofridas pelas marés gravimétricas em Curitiba, e 3. AS OCUPAÇÕES DA EMTUFPR E principalmente atrair, através de sua divulgação, mais EVOLUÇÃO DO ESTUDO DE SEUS pesquisadores para atuarem nesta área de conhecimento. PARÂMETROS DE MARÉ 2. A EMTUFPR A Tabela 1 mostra as séries de observações já Na Figura 1 são apresentados alguns aspectos realizadas na estação. Nesta, representa-se por G uma da estação, situada junto ao Centro de Educação Física série gravimétrica e M, uma série que envolva também a da UFPR. aquisição de dados ambientais. Os instrumentos Fig. 1- Aspectos externos e internos da EMTUFPR utilizados pertencem às seguintes Instituições: a) Bonn University - gravímetro ASK-BN-GS12; b) Observatório Real da Bélgica – gravímetros LCR-3G, LCR-8G, LCR-D32; LCRz-3G, LCRz-8G, LCRz-D32; GEO783 (cedido pelo ORB); c) Bidston Observatory (Reino Unido)- LCR-ET10; d) Universidade de São Paulo: LCR-G913z-USP; e) Universidade Federal do Paraná: LCR-D99, LCR-D99z. Nas séries com aquisição de dados ambientais, foram utilizados os sistema EDAS (“Earth Data Acquisition System”) e a b mDAS do ORB, e sensores (SP- sensor de pressão, ST- sensor de temperatura e SU-sensor de umidade). Nas séries 1 e 13, a instalação do gravímetro e processamento dos dados foi feita por M. Bonatz (Bonn University); na série 2, a instalação e processamento dos dados foi feita por B. Ducarme (ORB); nas séries 3, 5, 7 a e 9, a instalação foi feita por C. Poitevin e o processamento por B. Ducarme (ORB); nas séries 4, 6,8, 10 e 11 a instalação foi feita por M. Van Ruymbeck e o processamento por B. Ducarme. Na série 12, a instalação do gravímetro e processamento dos dados foi c d feita por R. J. Edge (Bidston Observatory); nas séries 14, 16 e 20, a instalação e processamento foram feitos o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

por S. Freitas (UFPR); nas séries 15 e 17 a instalação foi Na série 12, feita com o LCRET10, feita por O. Leite e o processamento por O. Leite e N. considerada uma excelente série devido ao fator de Modro respectivamente (UFPR); nas séries 18, 21 2 22, qualidade médio de 38,3, os valores obtidos foram os a instalação foi feita por E. Saatkamp e processamento mostrados na Tabela 3. por S. Freitas(UFPR); na série 19, a instalação foi feita TABELA 3 - PARÂMETROS DAS PRINCIPAIS por W. Shukowsky (USP)e o processamento por S. ONDAS DE MARÉS PARA A EMTUFPR (1988) Freitas(UFPR). COM O LCR-ET10. TABELA 1 - SÉRIES DE OBSERVAÇÕES NA O D DF ESTAÇÃO CURITIBA. M2 1,1667–0,0003 1,471–0,013 Série Instrumental Período Base de O1 1,1735– 0,0009 -1,131–0,044 Calibr. FONTE: ICET DATABANK 1-G ASK-BN-GS12 03/83 – 04/84 Micr. Ball Atualmente, os valores de referência adotados 2-G GEO-783 10/83 – 04/84 Bruxelas para a estação são os mostrados na Tabela 4. Eles 3-G LCR-3G 05/84 – 07/84 Bruxelas resultam de uma série realizada após a calibração 4-G LCR-3Gz- 07/84 – 10/84 Bruxelas instrumental do GEO783 em Bruxelas(1988) 5-G LCR-8G- 05/84 – 07/84 Bruxelas renormalizados (Freitas,1993), com fator de qualidade 6-G LCR-D8Gz 07/84 – 11/84 Bruxelas médio 22,3. 7-G LCR-D32 04/84 – 07/84 Bruxelas TABELA 4 - PARÂMETROS DAS PRINCIPAIS 8-G LCR-D32z 07/84 – 10/84 Bruxelas ONDAS DE MARÉS - EMTUFPR – REF. 1992. 9-G LCR-D99 05/84 – 07/84 Bruxelas O D DF 10-G LCR-D99 07/84 – 10/84 Bruxelas M2 1,1735–0,0004 1,421–0,020 11-G LCR-D99z 08/85– 12/85 Bruxelas O1 1,1893– 0,0017 -1,240–0,080 12-G LCR-10-ET 11/87 – 10/88 Hannover FONTE: Freitas,1993 13-G ASK-BN-GS12 01/88 – 05/89 Micr. Ball Finalmente, como resultado da série 16, 14-G GEO-783 04/92 – 10/92 Bruxelas realizada em 1995 com o GEO 783, após a 15-G,M LCR-D99z,SP 09/94 – 12/95 Hannover renormalização instrumental em termos dos valores de 16-G,M GEO-783, 02/95 – 09/95 Bruxelas referência 1992 e considerando a influência do SP,ST,SU carregamento oceânico modelado por ORI96 (Melchior 17-G,M LCR-D99z,SP 02/96 – 07/96 Hannover & Francis,1996), obtiveram-se resultados mostrados na 18-G,M LCR-D99z,SP 02/97 – 1998 Hannover Tabela 5, que mostram grande coerência com os 19-G,M LCR-G913z, 10/97 – 1998 LaCoste& resultados da Tabela 2. O fator de qualidade médio SP,ST Romberg obtido foi 18,5. 20-G,M GEO-783, 10/97 – 1998 Bruxelas TABELA 4 - PARÂMETROS DAS PRINCIPAIS SP,ST ONDAS DE MARÉS - EMTUFPR – SÉRIE 1995 21-G,M GEO-783, /98 – 03/2001 Bruxelas O D DF SP,ST M2 1,1747–0,0006 1,421–0,030 22-G,M LCR-D99z, /98 – 03/2001 Hannover O1 1,1851– 0,0017 -1,240–0,083 SP,ST FONTE: Schwab,1999 FONTE: Freitas et al., 1988 Um ponto importante a ser aqui destacado é o Os parâmetros locais de marés para a que se refere à ordem de grandeza das medidas EMTUFPR foram estabelecidos através da análise dos realizadas. Embora as leituras e precisão dos dados obtidos com quatro gravímetros, em trabalho instrumentos utilizados seja da ordem do miligal, com conjunto do CPGCG e do ORB em 1983 e 1984, através “range” diferenciado de acordo com o modelo, devido da utilização do modelo Molodenski I (Melchior et al., ao grande número de medidas realizadas com os 1989), o qual considera a Terra elástica e sem oceanos. instrumentos estabilizados no local de aquisição, o nível A Tabela 2 mostra uma síntese dos valores encontrados de precisão dos dados no processamento é da ordem do em termos da Estação Curitiba, para as principais ondas microgal Neste nível, as influências do carregamento de marés. Nesta tabela, O representa a onda de maré, D oceânico e atmosférico, também da ordem do microgal, o fator de amplitude, DF a diferença de fase em graus, e tem que ser considerados para a redução destes efeitos FQ o fator de qualidade das observações (Chueca et al., O estudo da influência dos parâmetros de ambiente 1984). sobre as medidas gravimétricas realizadas na estação TABELA 2 - PARÂMETROS DAS PRINCIPAIS podem ser divididos em termos de sua origem. A ONDAS DE MARÉS PARA A EMTUFPR (1984). influência do carregamento oceânico para os diversos O D DF FQ modelos atualmente disponíveis pode ser calculada M2 10,9 1,1746–0,0007 1,41–0,05 através dos valores constantes na Tabela 5, através do O1 10,9 1,1835– 0,0049 -1,24–0,13 programa Loading89 (Melchior & Francis, 1996), para FONTE: Melchior et al., 1989 diversos modelos. Nesta, as amplitudes L estão expressas em mGal e as fases em graus. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

TABELA 5- CARREGAMENTO OCEÂNICO (AMPLITUDE E FASE) PARA DIFERENTES MODELOS EM CURITIBA Modelo SCHWIDERSKY CSR 3.0 FES95.2 ORI96 l l l l l l l l Onda L L L L 1,601 72,8 2,197 72,7 2,278 64,6 1,797 68,6 M 2 0,904 98,5 0,854 76,4 1,032 68,6 0,659 75,6 S 2 0,292 100,4 0,234 73,8 0,252 73,1 0,182 73,9 K 2 0,348 37,7 0,550 54,5 0,536 54,1 0,488 50,9 N 2 0,244 116,6 0,292 116,3 0,267 123,4 0,295 133,6 K 1 0,633 137,8 0,773 134,1 0,709 136,3 0,734 140,8 O 1 0,081 124,0 0,111 112,5 0,114 120,3 0,105 128,2 P 1 0,190 150,9 0,232 149,4 0,192 151,2 0,219 153,0 Q 1 Em termos de parâmetros atmosféricos, a TABELA 6- PROFISSIONAIS E ATIVIDADES determinação de um valor para a influência da pressão RELATIVAS À UTILIZAÇÃO DOS DADOS sobre as medidas gravimétricas conduziu ao valor de GERADOS NA EMTUFPR A PARTIR DE 1995 -2 3,4672 – 1,4082 nm.s /hPa (Schwab, 1999) mas para a temperatura e umidade do ar tal influência não pode ser Profissional/ Atividade/ Detalhamento caracterizada, devido aos controle interno destes Instituição responsável Dr. Sílvio R. C. Técnico- Controla todas as atividades parâmetros na estação. de Freitas- Científico – Proj. na EMTUFPR. Realiza a CPGCG, UFPR CNPq do qual a análise de marés padrão ICET; 4. MANUTENÇÃO, RECURSOS estação constitui Estabelece os contatos em uma das linhas nível mundial. HUMANOS E BANCO DE DADOS de pesquisa a A EMTUFPR exige uma manutenção partir de 1995. Bolsista CNPq Pré-análise e Organizou o Banco de dados cuidadosa tanto em termos do controle de temperatura e Marcus F. Silva análise de dados 95-97- Utilizou os programas umidade no ambiente de aquisição, quanto no controle (1995-98) ,UFPR PRETERNA e ETERNA do Banco de Dados gravimétricos e ambientais, estes Bolsista CNPq Desenvolvimento Estudou os níveis de filtragens últimos gerados continuamente a partir de 1995. Apesar Jeferson de matemático para possíveis serem aplicados aos Souza (1998-99), a análise sinais sem perda de das dificuldades de recursos humanos especializados na UFPR ambiental informação realização do controle instrumental e da obtenção de Doutorando E. Manutenção Controla o instrumental da componentes eletrônicos para reparo do sistema de D. Saatkamp – eletrônica e EMTUFPR; aquisição, tem sido possível manter a estação CPGCG, UFPR descarga de Realiza a descarga de dados; dados funcionando e os dados resultantes sendo analisados. A Doutorando A Procedimentos Auxilia no controle do manutenção requer uma visita semanal de controle e a Pires(2000)- de descarga de instrumental e descarga de descarga de dados, via lap-top (programa LTERM- CPGCG, UFPR dados; dados ORB) a cada 20 dias, pois os dados/minuto adquiridos, Dr. Sílvia H. Banco de Dados, Utiliza os programa TSOFT, Schwab- DFIS, pré-análise e Loading89 e MATLAB referentes às marés gravimétricas obtidas com o UFPR análise ambiental LCRD99 e GEO783, e dados de pressão e temperatura Bolsista UFPR Organização do Realizou a organização e pré- obtidos via sensores e armazenados no sistema mDAS Guilherme B. Banco de Dados análise dos dados 2000 (ORB); armazenamento de dados no Laboratório de Blitzkow (2000)- 2000 Marés Terrestres e Gravimetria ligado ao CPGCG; UFPR Dr. Bernard Consultor Apoio colocação dos dados em formato apropriado para a pré- Ducarme-ORB científico; ICET análise (formato PRETERNA); pré-análise dos dados; Dr. Paul Consultor Apoio colocação dos dados em Formato Internacional padrão Melchior-ORB científico; ICET (Ducarme, 1975); levantamento dos fatores de Dr. M. Van Consultor técnico Desenvolveu os sistemas Ruymbeck-ORB – sistemas de EDAS e mDAS calibração utilizando o programa TSOFT aquisição (Vauterin,1998); análise de marés padrão ICET eletrônica (Ducarme, 1975); análise de influências ambientais Dr. Olivier Consultor Apoio - programa Loading89 (Schwab, 1999); envio dos resultados ao ICET Francis- técnico-científico DATABANK, situado junto ao ORB, onde são Dr. Paul Pâquet- Consultor Apoio ORB científico armazenados todos os dados obtidos mundialmente M. Hendrickx- Consultor técnico Apoio relativos às marés terrestres. O pessoal envolvido na ORB estrutura de funcionamento e apoio para estas diferentes L.Vandercoilden- Consultor técnico Apoio etapas e atividades, desde 1995, são mostrados na ORB Dr. Marta . Consultor técnico Apoio Tabela 6. Mantovani, USP Dr. Wladimir Instalação do Apoio Shukowsky-USP gravímetro LCRG913; Consultor técnico o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

5. ASPECTOS LIGADOS À ANÁLISE Fig. 3 - “GAPS” observados nos dados DOS DADOS C u r iti b a : G r a v i m e t r o L C R D 9 9 : G r a v id a d e ( s h o t s ) Os procedimentos inerentes à obtenção de dados com 4 0 0 0 0 qualidade de acordo com o nível internacionalmente 3 0 0 0 0 exigido atualmente são extremamente complexos e devem seguir um rígido controle. Enumera-se abaixo os 2 0 0 0 0 principais procedimentos nesse sentido: 1 0 0 0 0 1) Aspectos Instrumentais: controle na instalação dos 0 gravímetros, nivelamento, calibração mensal, 2 2 - 1 1 - 0 0 2 7 - 1 1 - 0 0 controle de temperatura e de umidade do ar ambientes, de calibração dos sensores de pressão e Fig. 4 - “SPIKES” observados nos dados temperatura. C u r i t i b a : G r a v i m e t r o G E O 7 8 3 : G r a v i d a d e 2) Aspectos de Aquisição: estabilização do sistema de ( s h o t s ) 3 0 0 0 0 aquisição, energização do sistema, aplicação de 2 9 0 0 0 programa LTERM com a indicação dos parâmetros de funcionamento, configuração do mDAS ou 2 8 0 0 0 EDAS, descarga mediante LTERM, criação de 2 7 0 0 0 arquivos brutos, reinicialização do sistema após a descarga; 2 6 0 0 0 3) Organização do Banco de Dados: transferência e 0 8 h 0 0 m 0 0 1 2 h 0 0 m 0 0 1 6 h 0 0 m 0 0 2 0 h 0 0 m 0 0 0 0 h 0 0 m 0 0 controle rígido de datas e horários. Preparação dos s 2 9 - 0 2 - s 2 9 - 0 2 - s 2 9 - 0 2 - s 2 9 - 0 2 - s 0 1 - 0 3 - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 dados para a pré-análise. Na Tabela 7 apresenta-se um resumo parcial do Banco de Dados 2000. A = Na Figura 5 mostra-se o aspecto de uma parte dos os arquivo; DI = Data inicial; DF = data final; HI = sinais pré-processados no ano de 2000, para a hora inicial e HF = hora final. O Banco de Dados pressão, temperatura, sinal gravimétrico obtidos com desde 1997 se constitui de dados-minuto de marés o GEO783 e com o LCRD99. gravimétricas em um, dois ou três canais, dados de temperatura e pressão, em um ou dois canais para cada parâmetro monitorado. O total estimado é de Fig. 5 – Sinais ambientais e gravimétricos pré- processados 4,8 milhões de dados disponíveis no total. TABELA 7- EXEMPLO DO RESUMO DO BANCO EMTUFPR: pressão em contagens 2580 DE DADOS A DI HI DF HF 2540 gl180200.cta 20/01/00 12:35:30 18/02/00 12:56:30 gl220300.cta 13/02/00 19:54:30 22/03/00 15:03:30 2500 gl280400.cta 22/03/00 01:28:30 28/04/00 20:46:30 gl160500.cta 08/04/00 07:18:30 15/05/00 03:43:00 2460 EMTUFPR: temperatura em contagens 4) Pré-análise dos dados: após a junção dos arquivos 2260 brutos, e colocação em formato apropriado, 2240 procede-se à avaliação de perdas de dados, correção de falta de dados (“gaps”), de picos (“spikes”) 2220 devido a perturbações externas, e de saltos no nível 2200 de aquisição (“steps”) devidos ao próprio sistema EMTUFPR maré gravimétrica – GEO783 - contagens de aquisição em geral. As Figuras 2, 3 e 4 800 apresentam exemplos destes tipos de problema. 600 400 Fig. 2 - “STEPS” observados nos dados 200 Cu riti ba:Grav im etro LCR D 99 :Grav ida d e (shots) 2 0000 EMTUFPR maré gravimétrica – LCRD99 - contagens 800 1 0000 600 0 400 200 -10000 06-02-00 26-02-00 17-03-00 06-04-00 26-04-00 1 2h00m 0 0s 0 0h00m 0 0s 1 2h00m 0 0s 0 0h00m 0 0s 1 2h00m 0 0s 0 0h00m 0 0s 1 2h00m 0 0s 23-10 - 00 24-10 - 00 24-10 - 00 25-10 - 00 25-10 - 00 26-10 - 00 26-10 - 00 o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

Observe-se nesta última figura que houve uma Cabem ainda ser destacados trabalhos perda de dados de temperatura do período, e que recentemente publicados em periódicos como o PEPI mostra-se as marés dos dois gravímetros com (Phys. Earth Plan. Int.) e SAJG (South American inversão de fases, características estas detectados Journal of Geosciences). Paralelamente, estão sendo no pré-processamento e adequadas para o realizados cooperações com o Servicio Geografico processamento. Militar do Uruguay e intercâmbio de informações com Universidades Argentinas, no sentido de se ter maiores 5) Análise dos dados: após a pré-análise dos dados, subsídios para trabalhos envolvendo o Datum Vertical realizada com o aplicativo TSOFT (Vauterin,1998) Brasileiro. desenvolvido pelo ORB, os arquivos são colocados em formato internacional para processamento. O 7. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS processamento é feito utilizando-se os programas MT, padrão ICET (Ducarme, 1975). Nestes Apesar da longa história de ocupações, a programas são gerados a maré teórica prevista para manutenção dos trabalhos científicos ligados à a estação de acordo com um potencial perturbador e EMTUFPR demandam um grande envolvimento por modelo de Terra selecionados. Uma análise típica parte do pessoal que tem atuado na área, pela de maré fornece os fatores de amplitude e fase das dificuldades inerentes à precisão final requerida, à principais ondas de marés no local da estação, precisão dos instrumentos de aquisição, às dificuldades conhecidos como parâmetros de maré, e que de manutenção e substituição de componentes. Cada caracterizam a resposta local à influência trabalho realizado na estação, entretanto, tem perturbadora da Lua e do Sol sobre o planeta., contribuído para desenvolver no Brasil, esta área ainda comparados com o previsto teoricamente para a pouco explorada, e que oferece ainda muitas estação. perspectivas de trabalho, em termos do estabelecimento 6) Análise de influências ambientais: nesta etapa são de estações temporárias, e também de apoio a outros calculadas as funções de transferência em estudos nas áreas de Geodésia, Geofísica, etc. Deve-se amplitude e fase entre os parâmetros de ambiente ainda ressaltar a grande contribuição de cada uma das (pressão, temperatura) e as medidas gravimétricas. Instituições externas à UFPR aqui citadas teve para com Utiliza-se o aplicativo MATLAB e programas esta linha de pesquisa em Geodésia do CPGCG. Por específicos desenvolvidos para este fim outro lado, também deve ser destacado o papel do Dr. (Schwab,1999). Para este fim, é importante o Hans-Georg Wenzel (Hannover, Alemanha) que a partir trabalho continuado de calibração/aferição dos de 1995 contribuiu para a abertura de nova linha de gravímetros envolvidos na aquisição dos dados, trabalhos na parte de análise ambiental, e também com realizados normalmente uma vez ao mês, e a outros trabalhos de gravimetria realizados na avaliação do comportamento dos sensores de Instituição. monitoramento ambiental, realizada através da comparação com instrumentos-padrão. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7) Os resultados obtidos são comunicados ao ICET e divulgados junto à comunidade científica pela GEMAEL, C.. Determinação da gravidade em disponibilização dos acessos ao ICET Geodésia. Curitiba, CPGCG, 78p. , 1985. DATABANK. CHUECA, R., DUCARME, B. & MELCHIOR, P.. 6. TRABALHOS PUBLICADOS SOBRE A Preliminary investigation about a quality factor of EMTUFPR tidal gravity factors. Brussels, IAG-BIM 94: 6334-37, 1984. As primeiras publicações sobre a EMTUFPR foram as feitas por Gemael (1986) e Melchior et al. DUCARME, B.. The computation procedures at the (1989), onde constam aspectos do programa que International Center of Earth Tides (ICET). permitiu a sua instalação e os primeiros resultados th Grenoble, Proceedings of the 17 IUGG General obtidos dos parâmetros locais de maré. Cinco teses de Assembly, 1975. Doutorado tiveram parte de seus trabalhos, ou toda a totalidade, baseadas nos dados obtidos na estação ou FREITAS, S. R. C.. Marés gravimétricas: implicações desenvolvidos a partir de procedimentos iguais aos para a placa sul-americana. São Paulo, Tese de adotados na estação: Ratton (1986), Leite(1991), Doutorado, IAG-USP, 264p., 1993. Freitas(1993), Cordini(1998) e Schwab(1999). Uma dissertação de Mestrado também envolveu os mesmos FREITAS, S. R. C., SCHWAB, S. H. S., aspectos, feita por Modro(1997). Poderiam ser citados MANTOVANI, M. S. & SHUKOWSKY, W.. The muitos dos trabalhos publicados em Simpósios e earth tide program of observation and Revistas, relacionados com resultados obtidos na instrumentation in Brazil. Brussels, Proceedings estação. Entretanto, nos trabalhos anteriormente th of the 13 International Symposium on earth mencionados, pode-se encontrar estas referências, que tides, p. 223-29, 1998. não serão listadas aqui. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

LEITE, O. H. S.. Uma contribuição às análises de marés devido aos efeitos da temperatura nos dados gravimétricos obtidos na estação fundamental de Curitiba. Curitiba, Tese de Doutorado, CPGCG-UFPR, 135p, 1992. MELCHIOR, P., VAN RUYMBECKE, M. & POITEVIN, C.. TWTGP II (West Africa and South America). Brussels, IAG-BIM v(2): 132p., 1989. MELCHIOR, P. & FRANCIS, O.. Comparison of recent ocean tide models using ground-based tidal gravity measurements. Marine Geodesy, 19: 291-330, 1986. MODRO, N.. Análise de desempenho instrumental na Estação de Marés Terrestres da UFPR. Curitiba, Dissertação de Mestrado, CPGCG- UFPR, 127p., 1997. RATTON, E.. Uma contribuição ao estudo de marés terrestres no Brasil. Curitiba, Tese de Doutorado, CPGCG-UFPR, 1986. SCHWAB, S. H. S.. Marés gravimétricas: influências ambientais e calibração instrumental: estudos na estação Curitiba. Tese de Doutorado. Curitiba, CPGCG-UFPR, 1999. VAUTERIN. P. . Graphical and interactive software for analysis on earth tide information. Proceedings of th the 13 International Symposium on earth tides, p. 481-84, 1998. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 38-44, dezembro 2001.

SISTEMA ESPECIALISTA PARA GERAÇÃO DE MAPAS TEMÁTICOS Claudia Robbi Sluter Universidade Federal do Paraná Departamento de Geomática Caixa Postal 19001 Centro Politécnico, Jardim das Américas 81531-990 Curitiba, Paraná [email protected] RESUMO Este trabalho apresenta o protótipo do módulo geração de mapas temáticos, de um sistema computacional para elaboração de Planos Diretores. Sendo um sistema especializado para Planos Diretores é composto de 5 módulos principais, cujas funções são: armazenamento da base cartográfica, geração de mapas temáticos, consulta interativa e com animação de mapas, geração da síntese para o planejamento, e consulta ao Plano Diretor. Como o sistema é totalmente operado pelos urbanistas, usuários do sistema, para o desenvolvimento de cada Plano Diretor, estes devem gerar uma série de mapas temáticos. Sendo que os usuários, na maioria dos casos, não possuem formação sobre projeto cartográfico temático, o sistema deve auxiliá-los a construir os mapas temáticos de acordo com os princípios básicos da Cartografia Temática. Para tanto, a solução definida para este sistema foi automatizar algumas das decisões de projeto de mapas. Consequentemente, o módulo para geração de mapas temáticos tem características de sistema especialista, no que concerne aos princípios de projeto cartográfico temático. A automatização de algumas decisões de projeto cartográfico está presente tanto no projeto das interfaces como na modelagem conceitual, sendo os resultados implementados no protótipo do sistema. O desenvolvimento do sistema seguiu os fundamentos da Engenharia de Software e a metodologia de orientação a objetos. Os resultados do projeto das interfaces e implementação do protótipo para o módulo geração de informações temáticas são descritos neste artigo. Este protótipo foi implementado com o ambiente de programação Visual C++, num PC Pentium 200MHz, 32MB RAM e 2,1GB de disco rígido. ABSTRACT This paper presents a prototype of the thematic mapping module of a software system for Municipal Master Plan design. Because this system is designed for permitting urban planners, system’s users, to develop every task in a Municipal Master Plan, the users can produce thematic maps. Since the users are not cartographers and, consequently, may not know the fundamentals of map design, the system has to provide them with tools for making maps in accordance with the principles of thematic map design. Providing users with these kind of tools demands that a level of knowledge about map design be embedded in the software. A level of knowledge means to automate some of the thematic mapping decisions. Then, the thematic mapping module has characteristics of an expert system. The level of knowledge was accomplished by interfaces design and conceptual model, and it was implemented in the module prototype. The system development was based on software engineering concepts, and object oriented methodology. The results of the interfaces design and the prototype implementation for the thematic mapping module are described in this paper. The prototype was implemented using Visual C++ software in a PC environment, with a configuration of Pentium 200MHz, 32 MB RAM and 2,1 GB hard disk. Palavras chaves: visualização cartográfica, sistemas especialistas cartográficos, cartografia temática, planejamento urbano. 1. INTRODUÇÃO planejamento urbano, especificamente o módulo do sistema denominado geração de informações temáticas. O trabalho apresentado neste artigo é parte dos O desenvolvimento deste sistema está baseado em três resultados alcançados no desenvolvimento de um condicionantes: é um sistema computacional, portanto sistema para visualização cartográfica para seu desenvolvimento segue o paradigma da engenharia o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

de software; a concepção do sistema é baseada nos Cartografia, propondo novos conceitos tais como conceitos de visualização cartográfica; e o sistema é mapas interativos. Na década de 90 a busca científica totalmente operado pelos usuários, neste caso passa, então, a ser pelo desenvolvimento da própria urbanistas. Como os urbanistas, em sua maioria, não cartografia, conceitos e fundamentos, tendo como base possuem formação em Cartografia Temática, o módulo as potencialidades da tecnologia computacional. Neste geração de informações temáticas foi projetado e contexto surge um novo campo de investigação da implementado de forma a conter um nível de pesquisa cartográfica denominado de visualização inteligência, com o qual as decisões básicas de projeto cartográfica. cartográfico temático são automatizadas. A Na visualização cartográfica os mapas são automatização de decisões necessárias na contrução de entendidos como ferramentas de análises, tanto para mapas temáticos caracterizam este módulo como um planejadores como para cientistas (MacEachren e sistema especialista. Kraak, 1997; MacEachren, 1999 e ICA, 1999). Este Este sistema especialista é parte dos resultados avanço da Cartografia é proporcionado pela utilização da tese de doutorado “Sistema para Visualização de de técnicas de computação gráfica, de visualização Informações Cartográficas para Planejamento Urbano” científica e de sistemas de informações geográficas (Robbi, 2000). O desenvolvimento deste sistema foi (Robbi, 2000). Se os mapas são ferramentas de análises, realizado de acordo com o paradigma da engenharia de estes são utilizados tanto para estudar as características software, no qual a complexidade do sistema é tratada dos fenômenos geográficos, e sintetizar soluções, como em diferentes níveis de abstração. Portanto, a primeira também para apresentar resultados. Os mapas como etapa consistiu do estudo sobre as necessidades dos ferramentas de análises são meios de visualização, usuários para um sistema computacional, neste caso, sendo o processo de visualização cartográfica mais urbanistas desenvolvendo Planos Diretores. Na etapa abrangente que o processo de comunicação cartográfica. seguinte foi estabelecido o modelo conceitual do MacEachren et al. (citado por DiBiasi et al., 1992, sistema. Para a modelagem conceitual foi adotada a p.203) define visualização como “uma ação de metodologia de orientação a objetos, especificamente as cognição, uma habilidade humana de desenvolver metodologias desenvolvidas por Jacobson (1992), e por representações mentais que nos permite identificar Coad & Yourdon (1992). Finalmente, um protótipo foi padrões e criar ou impor ordem”. Assim, a visualização implementado, a partir do software SPRING (INPE, de mapas, gerados e manipulados durante o processo de 2001), visando apresentar as principais características e análise, proporciona o conhecimento sobre os potencialidades do sistema projetado. fenômenos geográficos, pela análise das evoluções e Apesar do sistema ter sido idealizado para interações destes fenômenos (Robbi, 2000). atender a um objetivo específico, ou seja, Os estudos científicos que buscam a desenvolvimento de Planos Diretores, durante os conceituação de visualização cartográfica resultaram em estudos sobre os tipos de mapas temáticos necessários diferentes modelos, os quais representam o uso dos às análises do espaço urbano, constatou-se que o mapas nas diferentes etapas de um processo de análise. conjunto de características dos fenômenos espaciais O modelo proposto por MacEachren (1994b) mapeados exige que o sistema permita a construção de sistematiza estes estudos e define a visualização qualquer tipo de mapa temático. Assim, o módulo cartográfica num espaço tridimensional denominado de 3 geração de informações temáticas resultou “(Cartografia) ” (Figura 1) (MacEachren, 1999). Neste suficientemente genérico, permitindo afirmar que este é espaço os diferentes usos dos mapas são representados um sistema especialista para geração de mapas em três eixos: interatividade, audiência e propósito. A temáticos. Para apresentar os resultados alcançados interatividade pode variar em diferentes graus, desde durante o desenvolvimento deste módulo, são descritos baixa até alta interatividade com o mapa. O propósito conceitos de visualização cartográfica e alguns pode variar entre revelar o desconhecido até apresentar importantes aspectos do desenvolvimento de um sistema o conhecido. A audiência representa a variação entre o especialista cartográfico. Neste artigo são apresentados uso privado, e o uso público dos mapas, da mesma os resultados alcançados com a modelagem conceitual forma que no modelo apresentado por DiBiase et al. relativa ao modelo dos requisitos, o qual contém o (citado em MacEachren, 1994a). projeto das interfaces do sistema, e o conjunto de regras As variações de uso dos mapas, consequente da que caracterizam este sistema especialista. incorporação de técnicas de visualização científica à Cartografia, como apresentadas no modelo de DiBiase 2. VISUALIZAÇÃO CARTOGRÁFICA (citado em MacEachren, 1994a), são definidas de acordo com as diferentes fases dos processos de análise Após anos de desenvolvimento de ferramentas e planejamento, ou seja, exploração, síntese, computacionais para a automatização das tarefas confirmação e apresentação. Estas fases são agrupadas convencionais de produção de mapas (Cartografia em dois domínios: privado e público. No domínio Assistida por Computador) e análises de fenômenos privado os mapas são utilizados pelo usuário, ou grupo espaciais (Sistemas de Informações Geográficas), no de usuários, quando este analisa os mapas para adquirir final da década de 80 e início da década de 90 observou- conhecimento, tendo em vista a tomada de decisão, no se o surgimento de pesquisas voltadas a investigar em caso de planejadores, ou a solução de problemas, em o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

estudos científicos. As conclusões alcançadas, tanto das quanto ao uso dos mapas, somente extremos. Além atividades de planejamento quanto de estudos disso, tanto a visualização como a comunicação estão científicos, são definidas com um conjunto de presentes em qualquer fase do processo de visualização informações, as quais incluem mapas. Estas cartográfica, sendo a diferenciação dada pela ênfase a informações são apresentadas, ou seja publicadas, nas uma ou a outra. Se o uso do mapa está ocorrendo com fases relativas ao domínio público. uma alta interatividade, a audiência é privada e o 3 No modelo “(Cartografia) ” (Figura 1) observa- propósito é revelar o desconhecido, a ênfase é de se que a variação entre visualização e comunicação é visualização. Por outro lado, se a interatividade é baixa, apresentada na diagonal do cubo. Esta variação é a audiência é o público, e o propósito é apresentar o contínua pois representa a não existência de fronteiras conhecido, a ênfase é na comunicação. 3 Figura 1 – “(Cartografia) ” – uma representação do ‘espaço’ de uso do mapa. Fonte: Adaptada de MacEachren (1994b, p.6) Um importante aspecto da visualização tenta imitar a representação de mapas mentais. Porém, cartográfica é a interatividade. Para que seja possível o superam os mapas mentais por incluírem mais conhecimento sobre os fenômenos espaciais e suas características do fenômeno e não conterem distorções interações, e a partir deste conhecimento propor ou enganos desses. O mapa interativo é uma extensão da soluções, é necessário que o planejador ou cientista habilidade humana de visualizar lugares e possa visualizar diferentes fenômenos, e diferentes distribuições.” características destes fenômenos com diferentes O mapa interativo é uma interface entre o classificações, visualizar como os fenômenos interagem usuário e a realidade, e esta interface é digital. As no espaço, criar cenários, e avaliar as soluções ferramentas computacionais permitem que o usuário propostas. Neste nível de interatividade, o usuário deve deixe de ser um elemento passivo no processo de poder gerar vários mapas temáticos, e proceder a comunicação cartográfica, e passe a interagir ativamente consultas sobre os estes mapas. Portanto, com o mapa no processo de aquisição de conhecimento com o uso de interativo, o processo de comunicação cartográfica no mapas. No contexto de mapas interativos o cartógrafo qual o usuário apenas recebe o produto concluído, projeta e implementa as ferramentas computacionais, resultado do projeto cartográfico desenvolvido pelo que compõem um ambiente de utilização do mapas, e cartógrafo, deve ser redefinido. este ambiente é fornecido aos usuários. Os usuários, por Com os mapas interativos, os usuários são sua vez, decidem como e quais informações serão por participantes ativos no processo de comunicação eles visualizadas. Portanto, na Cartografia Interativa os cartográfica (Robbi, 2000). Peterson (1995) apresenta usuários podem produzir mapas, ou seja, decidir quais um modelo de comunicação cartográfica para o mapa informações, como classificá-las, e como simbolizá-las interativo (Figura 2), e o define como “uma forma de tendo em vista a visualização. apresentação cartográfica assistida por computador que o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

Figura 2 – Modelo de comunicação cartográfica para o mapa interativo. FONTE: Adaptada de Peterson (1995, p.6) Se os usuários não são cartógrafos, e os mapas presentes num sistema para visualização cartográfica interativos são utilizados para análise visual de para planejamento urbano. informações geográficas, não é suficiente que Um sistema para visualização cartográfica é programas computacionais permitam a escolha aleatória um sistema de software, no qual os mapas digitais são das formas e cores dos símbolos cartográficos. A interfaces entre o usuário do sistema e a realidade, neste possibilidade de aquisição de conhecimento na caso, os fenômenos espaciais. O usuário pode gerar, visualização de vários mapas só ocorre se as soluções consultar e manipular os mapas, e estas atividades são gráficas proporcionarem a visualização eficiente dos apoiadas em um conjunto de aplicativos (ferramentas) fenômenos geográficos. Consequentemente, as computacionais. Sendo um software, o sistema ferramentas computacionais devem auxiliar o usuário a apresentado neste trabalho foi desenvolvido de acordo produzir mapas de acordo com os princípios de projeto com conceitos da engenharia de software, segundo os cartográfico. Para isto, duas soluções são propostas na quais a complexidade do sistema é tratada em diferentes literatura: tutorias que orientem os usuários sobre as níveis de abstração (Figura 3). decisões a respeito da representação cartográfica A primeira tarefa no desenvolvimento de um (Green, 1993); ou sistemas especialistas que software é o conhecimento da realidade na qual o automatizem as decisões de projeto cartográfico (SU, sistema está inserido, denominado de domínio do 1995; Zhan e Buttenfield, 1995 e Wang e Ormeling, problema, a partir do qual são definidas as 1996). responsabilidades do sistema. A transformação das responsabilidades do sistema no software propriamente 3. SISTEMA ESPECIALISTA PARA GERAÇÃO dito é realizada em diferentes etapas, correspondentes a diferentes níveis de abstração da realidade, cujos DE MAPAS TEMÁTICOS resultados são os modelos representados na Figura 3. O Os mapas temáticos estão relacionados a dois modelo descritivo é a descrição informal do domínio do importantes aspectos do planejamento urbano: análise problema e das responsabilidades do sistema. No da atual situação da ocupação urbana; e definição de modelo conceitual, o modelo descritivo é representado propostas para o desenvolvimento do município. Assim, por conceitos formais, definidos de acordo com a o uso de mapas pelos urbanistas envolve todos os metodologia e técnicas adotadas, como por exemplo, aspectos da visualização cartográfica, desde o uso orientação a objetos. No modelo operacional são privado no qual os urbanistas adquirem conhecimento estabelecidas as estruturas de dados, e como estes são sobre a realidade do município, passando pela fase de manipulados. O modelo físico corresponde à fase de estabelecimento de possíveis soluções, análise das implementação, onde são gerados os programas soluções propostas, até o uso público, quando a proposta computacionais. do Plano Diretor é apresentada. Portanto, um conjunto O modelo descritivo do sistema desenvolvido de ferramentas para exploração, confirmação, síntese e neste trabalho foi definido com estudos sobre a apresentação das informações cartográficas deve estar metodologia para elaboração de Planos Diretores adotada no Estado do Paraná. Como o sistema é o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

projetado para que o usuário crie os mapas temáticos, o construção de mapas temáticos, de acordo com os módulo geração das informações temáticas é um dos princípios de projeto cartográfico temático. Para este principais resultados do desenvolvimento deste sistema. sistema foi decidido pela solução por automatização de A aquisição de conhecimento pela visualização de algumas decisões de projeto. Assim, o módulo para mapas depende diretamente da qualidade com a qual os geração de mapas temáticos contém um nível de fenômenos espaciais são representados. Portanto, é inteligência, e está sendo considerado um sistema fundamental que o sistema auxilie os urbanistas na especialista cartográfico. Figura 3 – Níveis de abstração. Fonte: Nakanishi (1995) 3.1 Metodologia para Elaboração de Planos características anteriormente citadas, e podem ser Diretores Adotada no Paraná detalhadas da seguinte forma: • Físico-territoriais: geomorfologia, solos, geologia, Sendo o sistema apresentado neste trabalho clima, vegetação, hidrologia, e áreas de risco à desenvolvido para planejamento urbano, ocupação; • especificamente Planos Diretores, o conhecimento do Socioeconômicas: população e condições sociais, domínio do problema foi definido pelo estudo da contendo informações sobre PIB, atividades metodologia para elaboração de Planos Diretores econômicas, emprego, escolaridade; • adotada do Estado do Paraná. Os Planos Diretores para Urbanísticas: parcelamento do solo, infra-estrutura os municípios do Estado do Paraná são elaborados nas urbana e equipamentos urbanos. seguintes etapas: definição dos objetivos; levantamento A sobreposição das informações temáticas e o estudo de dados; diagnósticos e diretrizes; elaboração da das inter-relações espaciais possibilita a definição das proposta; e instrumentação legal e administrativa distribuições e concentrações, e potencialidades das (Instituto de Assitência aos Municípios do Estado do diferentes regiões da cidade. Este conhecimento permite Paraná – FAMEPAR, s.d. a,b). o estabelecimento de diretrizes para o desenvolvimento O conhecimento do espaço urbano e municipal do município. As diretrizes são definidas com base na é fundamentalmente baseado em análises espaciais das subdivisão do território em regiões. As regiões são suas características físico-territoriais, socioeconômicas e estabelecidas pela visualização e análise dos mapas urbanísticas. Portanto, a principal fonte de análise são temáticos gerados na fase de mapeamento da situação mapas temáticos, acompanhados de textos analíticos atual do município. que complementam as informações sobre o município. Após o conhecimento da situação atual do Os mapas temáticos são criados pelos próprios município, e a definição de diretrizes para a ocupação e urbanistas em etapas de trabalho denominadas: desenvolvimento, é gerado um conjunto de propostas aquisição da base cartográfica; levantamento e reunião direcionadas aos seguintes aspectos: área das informações; mapeamento das informações; e administrativa; área financeira e tributária; identificação das necessidades da população. As desenvolvimento econômico; desenvolvimento e gestão informações temáticas mapeadas são referentes às o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

• ambiental; desenvolvimento social; estrutura urbana; e Geração das informações temáticas: composto proposta de desenvolvimento urbano por áreas pelos aplicativos que permitem a criação de mapas diferenciadas. Estas propostas devem ser apresentadas temáticos, e o armazenamento de informações não- juntamente com mapas temáticos que representem as gráficas, gráficos e textos associados às feições e ações a serem realizadas pelo poder municipal. classes temáticas; • Portanto, com exceção das primeira e última etapas, ou Consulta interativa e dinâmica: contendo os seja, definição dos objetivos e instrumentação legal e aplicativos de consulta às informações temáticas, administrativa, as demais são baseadas, ou tem como incluindo recursos de animação; • resultados, mapas temáticos. Geração da síntese para o planejamento: aplicativos para geração de mapas e textos que 3.2 O Modelo dos Requisitos representam e descrevem a proposta do Plano Diretor; • De acordo com a metodologia proposta por Consulta ao Plano Diretor: visualização e Jacobson (1992) para desenvolvimento de sistemas, a atualização das informações durante a implantação primeira etapa da modelagem conceitual é a definição e acompanhamento do Plano Diretor. do modelo dos requisitos (“the requirements model”). Estes casos de usos primários foram definidos como os Esta metodologia foi adotada neste trabalho por principais módulos do sistema, e são apresentados na apresentar mecanismos para definir sistematicamente as primeira interface do software, como ilustra a Figura 4. necessidades dos usuários. O modelo dos requisitos é construído com diagramas de caso de usos, os quais são 3.3 Módulo Geração das Informações Temáticas constituídos por atores (“actors”) e casos de usos (“uses cases”). Na definição dos atores são descritos quem são Para conhecer o espaço urbano, após a coleta e seus papéis no sistema. Os casos de usos representam dos dados incluindo a base cartográfica digital, o as ações dos usuários quando utilizam o sistema, e os urbanista deve gerar os mapas temáticos que lhe resultados que o sistema retorna (Jacobson, 1992). Para permitam proceder às análises necessárias sobre as representar os casos de usos, nesta fase da modelagem é características dos fenômenos espaciais relacionadas necessário projetar as interfaces, por intermédio das com planejamento urbano. Portanto, a principal tarefa quais os usuários interagem com o sistema. Portanto, o na fase de organização das informações sobre a situação modelo dos requisitos é composto por um conjunto de atual do município é o mapeamento das informações diagramas de casos de uso, e pelo conjunto de temáticas. Como o conhecimento sobre os diferentes interfaces do sistema. Com o conjunto de interfaces é aspectos do município depende diretamente da possível apresentar e discutir com os usuários o projeto qualidade das representações temáticas, foi decidido que do sistema, de forma que estes possam avaliar se o um nível de inteligência sobre projeto cartográfico projeto condiz com suas necessidades e expectativas. estaria embutido no sistema. Sendo uma solução por Neste sistema para visualização de informações sistema especialista, na definição do modelos dos cartográficas os atores foram definidos como (Robbi, requisitos foi necessário estabelecer quais as decisões 2000): de projeto cartográfico seriam automatizadas, e quais as • Urbanista: responsável técnico pela elaboração do decisões seriam tomadas pelos usuários. Estas decisões Plano Diretor; de projeto estão relacionadas às tarefas realizadas pelo • Sistema para Cartografia Digital (CAD): fornece a usuário, quando utiliza o sistema, e por isso estão base cartográfica digital do município; também relacionadas com as ferramentas projetadas • Equipe técnica: responsável por trabalhos de para as interfaces do sistema. secretariado, pesquisa em arquivos, trabalhos Para a geração de mapas temáticos, a gráficos; automatização de algumas decisões de projeto • Comunidade: participa na elaboração do Plano cartográfico foi alcançada através de dois princípios. Diretor através de entrevistas a população; Primeiro, o sistema obriga o usuário a seguir uma • Conselho: participa no processo de elaboração do sequência de etapas estabelecidas de acordo com as fases de um projeto cartográfico temático. As funções Plano Diretor e de sua implantação. A composição associadas com cada etapa de um projeto cartográfico do conselho depende das necessidades do são disponíveis, ou seja, são habilitadas pelo sistema, município, podendo ser integrantes os secretários somente se o usuário conclui a etapa anterior do municipais, os técnicos da prefeitura, vereadores, trabalho. Segundo, o conjunto de variáveis visuais sindicatos, etc. disponíveis ao usuário, para cada mapa temático a ser Os casos de usos foram definidos de acordo com as criado, é definido com base na dimensão da primitiva tarefas realizadas durante a elaboração dos Planos gráfica, no nível de medida da variável representada, e Diretores. As principais etapas de trabalho foram no número de níveis de classificação do tema mapeado. denominadas nesta modelagem de casos de usos As interfaces projetadas são apresentadas na sequência, primários, sendo estes (Robbi, 2000): • Armazenamento: que permite o armazenamento da conjuntamente com a descrição das tarefas realizadas pelos usuários. base cartográfica digital; o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

Ao ativar o módulo geração das informações as tarefas estabelecidas nos aplicativos temáticas, a janela da Figura 5 é apresentada ao usuário. organizados no menu Mapa Temático. Para criar um mapa temático, o usuário deve realizar Figura 4 – Primeira janela apresentada quando o software é ativado Fonte: Robbi (2000) Figura 5 – Janela principal do aplicativo geração de informações temáticas, e menu Mapa Temático Fonte: Robbi (2000) Inicialmente o usuário deve ativar o aplicativo trabalho, que pode ser: urbana, município, região ou Base Cartográfica, o qual apresenta a interface da estado. O usuário deve, então, definir o tema a ser Figura 6. Nesta interface o usuário deve definir o representado, e finalmente selecionar as feições município para o qual o Plano Diretor está sendo topográficas a serem representadas na base cartográfica desenvolvido. A seguir o usuário escolhe a região de do mapa temático. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

Figura 6 – Janela para definição do tema e feições da base cartográfica do município Fonte: Robbi (2000) Após definidos o tema e a base cartográfica, o tema proposto. Definir quais classes serão sub-menu Características do Tema, do sub-menu representadas, e a dimensão e nível de medida do tema, Representação Temática, é habilitado (Figura 7). Isto anteriormente ao projeto gráfico dos símbolos obriga o usuário a definir a dimensão da primitiva cartográficos é essencial para um projeto cartográfico gráfica e o nível de medida da variável representada, eficiente (Figura 9). Se o tema exige que algumas antes de decidir sobre os símbolos gráficos (Figura 8). classes sejam representadas com subclasses, o Se o usuário realiza esta etapa, o sub-menu usuário pode definí-las com a interface ativada pelo Classificação é habilitado. Nesta interface o usuário sub-menu Subclassificação (Figura 10). deve definir as classes a serem representadas para o Figura 7 – Janela submenus Características do Tema; Classificação; Subclassificação e Atributos Gráficos Fonte: Robbi (2000) Figura 8 – Janela Características do Tema Fonte: Robbi (2000) o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

Figura 9 – Janela Classificação Fonte: Robbi (2000) Figura 10 – Janela Subclassificação Fonte: Robbi (2000) A última tarefa , antes da definição da escolhida a variável visual, o usuário seleciona uma das simbologia propriamente dita, é a seleção da variável classes definidas para representar o tema, e ativa o visual adotada para definir os símbolos cartográficos aplicativo Seleção Símbolo (Figura 11). Como as opções (Figura 11). As opções de variáveis visuais apresentadas de variáveis visuais e características gráficas para pelo sistema são limitadas pelas informações definir os símbolos cartográficos são automatizadas, foi anteriormente armazenadas pelo usuário. Com isto, o necessário definir um conjunto de regras a serem sistema evita que erros básicos, relacionados à implementadas no sistema. Este conjunto de regras é inadequação da variável visual em relação à dimensão e resultado do estudo sobre os fenômenos mapeados pelos ao nível de medida do tema representado sejam urbanistas, com os quais são realizadas as análises sobre cometidos pelo usuário. Isto proporciona que os mapas o espaço urbano. Os resultados deste estudo e as criados estejam qualitativamente de acordo com os regras modeladas e implementadas no sistema estão princípios de projeto cartográfico temático. Após descritos no item 3.4. Figura 11 – Janela Atributos Gráficos Fonte: Robbi (2000) o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

3.4 Definição das Variáveis Visuais para o dimensão espacial (Figura 14); e temas representados Mapeamento Temático com dois níveis de classificação, sendo que diferentes classes são definidas com diferentes dimensões No trabalho de elaboração de Planos Diretores, espaciais (Figura 15). Assim, o sistema pode definir as informações temáticas mapeadas podem ser variáveis visuais e a respectiva simbologia para feições classificadas em quatro grupos, de acordo com a pontuais, lineares e de área, que podem ser dimensão espacial e número de níveis de classificação: caracterizadas nos níveis de medida nominal, ordinal e temas representados sem classes (Figura 12); temas numérico. Portanto, com o sistema desenvolvido neste representados com um nível de classificação (Figura trabalho é possível a geração de qualquer tipo de mapa 13); temas representados com dois níveis de temático, considerando a representação temática classificação, onde todas as classes têm a mesma bidimensional. Figura 12 – Exemplo de um tema representado sem classes Fonte: Robbi (2000) Figura 13 – Exemplo de um tema representado com um nível de classificação Fonte: Robbi (2000) A classificação das informações temáticas decisões sobre as variáveis visuais são baseadas na nestes quatro grupos permitiu o estabelecimento de um tipologia apresentada por MacEachren(1994a, p.33), conjunto de regras, que implementadas no sistema, ajustada às características de mapas em grandes escalas, automatizam as decisões básicas sobre a simbologia e aos tipos de variáveis visuais comumente utilizadas cartográfica. Se o sistema segue este conjunto de regras, em mapas temáticos, e portanto conhecidas dos o conjunto de variáveis visuais apresentado ao usuário é usuários. A tipologia de variáveis visuais resultante adequado à dimensão, ao nível de medida e ao número destas considerações, e adotada para este sistema é de níveis de classificação do tema representado. As apresentada nas Figuras 16 e 17. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

Figura 14 – Exemplo de um tema representado com dois níveis de classificação – classes e subclasses com a mesma dimensão espacial Fonte: Robbi (2000) Figura 15 – Exemplo de um tema representado com dois níveis de classificação – classes e subclasses com diferentes dimensões espaciais Fonte: Robbi (2000) o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

ponto linha área forma S S N tamanho S S N tom de cor S S S valor de cor S S S saturação de cor S S S textura nominal N N S textura ordinal N N S orientação S N S arranjo N S N S = é uma possibilidade N = não é uma possibilidade Figura 16 – Variáveis visuais aplicadas a símbolos pontuais, lineares e de área. Fonte: Robbi (2000) numérico ordinal nominal localização B B B forma P P B tamanho B B P tom de cor M M B valor de cor M B P saturação de cor M B P textura nominal M M B textura ordinal M B P orientação P P B arranjo P P M B = bom M = efeito marginal P = pobre Figura 17 – Relação entre as variáveis visuais e os níveis de medida. Fonte: Robbi (2000) Para definir o conjunto de regras foi pontuais, e orientação tem um efeito visual pobre para estabelecido que as variáveis visuais a serem representar variáveis ordinais. apresentadas como opção para cada tema mapeado são A segunda etapa é definir qual variável visual, obtidas em dois estágios. Primeiro, o sistema deve entre as disponíveis, será adotada para representar as decidir se cada uma das variáveis visuais (Figuras 16 e diferentes classes do fenômeno. Para o mesmo exemplo, 17) estará disponível ou não disponível. Por exemplo, se um nível de classificação, variável pontual e ordinal, as uma variável é para ser representada com um nível de variáveis visuais disponíveis são: forma, tamanho, tom classificação, dimensão pontual e nível de medida de cor, valor de cor e saturação de cor. Porém, somente ordinal, as variáveis forma e tamanho serão definidas as variáveis visuais tamanho, valor de cor e saturação como disponíveis. Com a variável tamanho, as de cor poderão ser utilizadas para representar as diferenças ordinais entre as classes serão representadas, diferentes classes, portanto variarão de acordo com as e a variável forma deve estar disponível porque o características do tema. Os três diferentes estados que sistema deve desenhar um determinado símbolo com cada variável visual pode assumir no sistema, durante a uma determinada forma. Porém, texturas, orientação e geração de um mapa temático, são denominados de arranjo não são definidas como possibilidades, portanto variável, invariável ou nulo. não disponíveis. De acordo com a tipologia adotada, as Quando a informação temática é representada texturas e arranjo não são aplicadas a símbolos com um nível de classificação, para cada dimensão o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.

geográfica pontual, linear ou de área, os estados das conjunto de regras resultante para a dimensão variáveis visuais são diferenciados em dois grupos: pontual é apresentado na Tabela 1 nominais, e ordinais ou numéricos. Com um exemplo, o . TABELA 1 – ESTADOS DAS VARIÁVEIS VISUAIS PARA TEMAS REPRESENTADOS COM UM NÍVEL DE CLASSIFICAÇÃO PARA DIMENSÕES PONTUAIS Nível de medida Numérico Ordinal Nominal Invariável Invariável Variável Forma Tamanho Variável Variável Invariável Tom de cor Invariável Invariável Variável Valor de cor Variável Variável Invariável Saturação de cor Variável Variável Invariável Textura nominal Nulo Nulo Nulo Nulo Nulo Nulo Textura ordinal Orientação Nulo Nulo Variável Arranjo Nulo Nulo Nulo Os dois casos para temas representados por representar as subclasses são gerados de acordo com um dois níveis de classificação demandam diferentes outro conjunto de variáveis visuais. Seguindo o mesmo soluções. Quando as classes são representadas com exemplo do mapa temático educação, o nível de medida diferentes dimensões espaciais, por exemplo, pontual e da classe mantenedores é nominal, por isso, os estados linear, essas são visualmente independentes. Por isso, das variáveis visuais para representar as subclasses para definir as variáveis visuais para cada classe, as dessa classe são apresentados na Tabela 2. mesmas regras estabelecidas para temas com um nível Para analisar alguns possíveis resultados de classificação são aplicadas, como exemplificado na quando o conjunto de regras for utilizado, uma série de Figura 15 para o mapa temático do abastecimento de exemplos hipotéticos de mapas temáticos foi criada. água. Conseqüentemente, as duas classes podem ser Estes exemplos são representações de variáveis pontuais vistas, para a implementação do sistema, como dois e de áreas, para temas representados por dois níveis de mapas separados, que representam duas variáveis classificação. O primeiro exemplo, ilustrado na Figura independentes. O mapa final, ou seja, abastecimento de 18, apresenta o uso das variáveis visuais tom de cor e água, é o resultado da sobreposição da representação tamanho para a representação de tema nominal e classes das duas classes. ordinais. Na Figura 19 é apresentado um exemplo do Para temas representados por dois níveis de uso das variáveis visuais tom de cor e valor de cor. classificação, nos quais todas as classes têm a mesma dimensão espacial, as opções de variáveis visuais para 3.5 Implementação do Protótipo representar as subclasses de cada classe são dependentes das opções de variáveis visuais definidas para A implementação do protótipo do módulo representar as diferentes classes do tema. Assim, os geração das informações temáticas foi realizada a partir diferentes estados das variáveis visuais (variável, do software SPRING, desenvolvido pelo INPE – invariável ou nulo), são dependentes dos níveis de Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE, 2000). medida definidos para o tema e para cada uma das Para que o conjunto de variáveis visuais possa ser classes. Como exemplo, o mapa temático educação, definido pelo software, a partir das informações sobre cujas classes são mantenedores e níveis escolares, dimensão espacial e nível de medida do tema, representa uma variável pontual e nominal; sendo os fornecidas ao sistema pelo usuário, duas interfaces estados das variáveis visuais como apresentados na foram implementadas no SPRING, denominadas Tabela 2. Conseqüentemente, as opções de variáveis Representação Temática e Apresentação Gráfica. Estas visuais apresentadas ao usuário são forma e orientação. interfaces são ativadas a partir da interface Tema, Os símbolos gráficos para representar as diferentes resultante da modificação da interface original do classes serão criados de acordo com a variável visual SPRING, denominada Modelo Conceitual, na qual as escolhida pelo usuário. Porém, se uma das classes deve categorias de dados de um determinado projeto são ser subclassificada, os símbolos gráficos para definidas. o Revista Brasileira de Cartografia, N 53, pp. 45-64, dezembro 2001.