Agora é com você!

Introdução

Até a aula anterior, vimos que os mapas eram desenhados a partir de medições feitas no chão ou calculadas com fórmulas de escala e projeção. Mas hoje, boa parte da Cartografia não depende mais de ninguém andando pelo terreno com trena e bússola.

Satélites, radares e computadores passaram a fazer esse trabalho à distância e em tempo real, criando os chamados Sistemas de Informações Geográficas.

Esta aula responde a uma pergunta bem atual: como é possível fotografar, medir e localizar qualquer ponto da Terra sem sair do lugar, e por que governos, empresas e exércitos disputam tanto essa tecnologia.

A era dos Sistemas de Informações Geográficas

Hoje é possível entrar no site do Google Earth não apenas para localizar casas, ruas ou prédios, mas sim realizar voos virtuais, projetos 3D com programas de modelagem, como Blender, por exemplo. Cada ponto da Terra possui uma localização com coordenadas geográficas e informações adicionais de altura e profundidade.

Sistemas de informações Geográficas - Conhecidos também como SIGs são equipamentos e meios tecnológicos para se estudar o espaço terrestre. São utilizados por pesquisadores, empresas, ONGs, governos, serviços de inteligência, entre outros.

Os aparelhos eletrônicos receptores imitam o olho humano, que também é um sensor. Como também será visto na disciplina de Física, todo corpo emite radiação eletromagnética. Entretanto, não conseguimos enxergar essas radiações, pois a maioria não são visíveis à visão humana, conforme figura abaixo.

De todo tipo de comprimentos de ondas existentes, só conseguimos ver uma parte bem pequena, entre o ultravioleta e o infravermelho.

O estudo desse espectro gerou diversos aparelhos eletrônicos, como controles remotos, câmeras fotográficas, dentro outros. Vamos estudar alguns deles, os SIGs, que, por sua vez, resultam da combinação entre três tipos de tecnologias distintos: O sensoriamento remoto, o GPS e o geoprocessamento.

Como funciona o Sensoriamento remoto?

Remoto significa distante, por isso o os sensores que antes eram acoplados em balões meteorológicos, como na primeira imagem da Terra do espaço na década de 1960, são instalados em uma rede de satélites ao redor da Terra.

Sensoriamento remoto - Consiste na captação de informações através de sensores instalados em satélites artificiais, aeronaves ou até balões. Obtêm-se imagens e dados da superfície terrestre pela captação e registro da energia refletida/emitida pela superfície, sem que haja contato físico entre o sensor e a superfície estudada.

Fonte: ibge.gov.br.

Quando a radiação entra em contato com a superfície da Terra, ela pode ser absorvida, refletida ou transmitidas (no caso de objetos transparentes). Os cientistas podem medir o grau de energia que refletiu em uma folha de árvore, por exemplo, o que eles denominam reflectância.

Dependendo da composição atômica e das propriedades do objeto (sólido, líquido ou gasoso) podemos saber se estamos lidando com uma imagem de um rio, um terreno ou de casas, isso porque cada objeto possui uma assinatura espectral, ou seja, a variação da reflectância para os diversos comprimentos de onda.

Na figura abaixo , há um esquema de sensoriamento remoto passivo. O sol ilumina a superfície, a radiação atinge a Terra e é refletida parar o espaço e, por isso, pode ser captado pelo sensor que está a bordo de um satélite. O sensor retransmite essas informações para uma antena parabólicas programadas para rastrear esse tipo de satélite.

Fonte: Fonte: Sausen (2008, p.11.)

Eles são úteis para analisar fenômenos como queimadas, ilhas de calor, inundação, avaliar danos causados por vendavais, furações, dentre outros.

Por outro lado, há uma forma mais ativa de captar imagens da superfície da Terra. Pode-se acoplar um radar em um avião ou satélite que emite micro-ondas, que por sua vez, são refletidas de volta pela Terra, permitindo o registro de uma região do espaço geográfico. Veja:

Fonte: Fonte: Moreira e Sene (2016, p.82).

As vantagens do sistema que emite micro-ondas estão relacionadas a menor interferência das nuvens do que as ondas do espectro visível e infravermelho, o que possibilita registrar imagens com o radar mesmo em dias nublados ou à noite, áreas alagadas, derrames de óleo na água do mar.

O que para o sistema passivo seria um pouco mais difícil, pois dependeria das condições atmosféricas da região naquele momento.

Foi justamente por essa razão que o projeto RadamBrasil, iniciado em 1970, escolheu o radar para mapear o território brasileiro. Grande parte da Amazônia permanece encoberta por nuvens durante boa parte do ano, o que inviabilizaria o uso de sensores ópticos convencionais para cobrir toda a região com qualidade.

Principais usos para o sensoriamento remoto

Tanto as fotos tiradas por aviões como as dos satélites e radares são fundamentais para a produção de mapas, cartas e plantas detalhados dos aspectos físicos e humanos da superfície terrestre, como resume o quadro abaixo:

Fonte: Organizado pelo autor.

As imagens aéreas e de satélites

Imagens aéreas

O resultado de todo esse sistema técnico integrado resulta em diversas imagens sobre a superfície terrestre. Antes as fotos aéreas eram tiradas a partir de balões, ainda no século XIX. Entretanto, progrediu muito na época da Segunda Guerra Mundial (1939-1945) com o uso de aviões.

Fonte: https://atlasescolar.ibge.gov.br/conceitos-gerais/o-que-e-cartografia.

As câmeras, hoje, digitais e acopladas na parte de baixo do avião, tiram fotos a intervalos regulares e em velocidade constante da aeronave. Esse processo é chamado de aerofotogrametria.

As fotografias possuem uma superposição em relação à anterior de cerca de 60%, ou seja, tiram três fotos e após isso verificam os elementos comuns entre as fotografias centrais. Esse processo objetiva melhorar a qualidade das imagens.

As escalas das fotos são determinas de acordo com os objetivos. Para cadastros urbanos, utilizam voos mais baixos e escala de 1:4.000 até 1:10.000. Já para áreas rurais são realizados voos mails altos e escalas de 1:15.000 até 1:40.000.

Fonte: Fonte: www.topografia.ufba.br.

Atualmente, a maioria dos mapas topográficos são produzidos com fotografias aéreas, pois são mais baratas e bastante detalhadas. Entretanto, as imagens de satélites não ficam para trás nesse quesito.

Imagens de satélites

Nada da Terra azul e cheia de cores que tão bem conhecemos - mesmo sem nunca termos visto de verdade -, a primeira imagem registrada de nosso planeta do espaço foi esta fotografia em branco e preto e granulada.

Tirada em 24 de outubro de 1946, foi produzida por uma câmera de cinema acoplada a um míssil V2 lançado da base de White Sands no Novo México, Estados Unidos.

Várias fotografias foram capturadas a 65 milhas de altitude, ou cerca de 104 km. A câmera registrava uma foto a cada 1,5 segundo.(Fonte: Revista Galileu)

Fonte: Revista Galileu.

Os primeiros a lançarem um satélite em órbita terrestre foram os russos com o Sputnik I (satélite em russo) em 1957. Porém ele só enviava um sinal sonoro.

A primeira missão tripulada também foi mérito russo em 1961 com a nave Vostok 1 (oriente em russo). A bordo esta Yuri Gagarin, o primeiro ser humano a observar a Terra do espaço e a pronunciar a famosa frase: “A Terra é azul”.

A partir de então, a chamada corrida espacial foi iniciada, isto é, a competição tecnológica entre os Estados Unidos e a antiga União Soviética duraria até a queda do muro de Berlim. (assunto que veremos mais adiante).

Após a viagem da Apollo 11 à Lua em 1969, muitos outros satélites foram enviados a órbita terrestre, dentre eles o LANDSAT em 1972.

Características das imagens de satélites

Originalmente, as imagens de satélites são obtidas em preto e branco. Porém, O olho humano é mais sensível a cores que aos tons de cinza. As cores que podemos ver é fruto da reflexão seletiva dos alvos existentes na superfície terrestre, nas distintas bandas do espectro eletromagnético.

Assim, para facilitar a interpretação visual dos dados de sensoriamento, são associadas cores aos tons de cinza, criando-se desta forma uma imagem de satélite colorida.

Ela é resultante da combinação das três cores básicas (azul, verde e vermelho) associadas, por meio de recursos computacionais, às imagens individuais obtidas em diferentes comprimentos de onda ou faixas espectrais. Este é o mesmo mecanismo da visão a cores nos seres humanos.

Fonte (STEFFEN, 2021). Imagem da cidade de Porto Alegre, lago Guaíba.

Diversos países possuem satélites que rastreiam permanentemente a órbita terrestre, dentre eles: a agência espacial europeia (ESA), a canadense Radarsat, a francesa Spot, a Sino-Brasileira CBERS , dentre outras.

Fonte: http://www.cbers.inpe.br/.

O projeto CBERS é o resultado de um sistema de cooperação entre o Brasil e a China, com um acordo assinado em 1988 entre o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e a CAST (Academia Chinesa de Tecnologia Espacial). O primeiro satélite da parceria, o CBERS-1, só foi lançado onze anos depois, em 1999, e reduziu bastante a dependência brasileira de imagens de satélite compradas de outros países. Atualmente está em operação o CBERS-4.

Os satélites CBERS, se destinam a monitoração do clima, projetos de sistematização e uso da terra, gerenciamento de recursos hídricos, arrecadação fiscal, imagens para licenciamento e monitoramento ambiental, entre outras aplicações.

Suas imagens são utilizadas no Brasil, por empresas privadas e instituições como Ibama, Incra, Petrobras, Aneel, Embrapa e secretarias de Fazenda e Meio Ambiente.

A grande vantagem do uso de imagens de satélites está ligada ao monitoramento de eventos ao longo do tempo. As imagens podem ser registradas em intervalos regulares, como o registro de nuvens em diferentes horários do dia.

Fonte: Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos, do Instituto Nacional de Pesquisas Especiais (Cptec/Inpe).

A previsão do tempo é um dos exemplos mais conhecidos do uso das imagens de satélites. Essas imagens auxiliam os meteorologistas por meio das sucessivas imagens das massas de ar, distribuição das nuvens, a prever períodos de chuva ou seca e a chegada de furações, fundamentais para a defesa civil.

Tudo isso não seria possível sem o sistema de satélites que cobre a Terra.

Drones: sensoriamento remoto ao alcance da mão

Satélites e aviões continuam sendo essenciais, mas nos últimos anos surgiu uma terceira opção bem mais barata e acessível para captar imagens da superfície: os VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados), mais conhecidos pelo nome popular de drones.

Um satélite de sensoriamento remoto custa centenas de milhões de dólares para ser construído e lançado ao espaço, e um avião equipado para aerofotogrametria também exige investimento alto e uma equipe especializada. Um drone comercial de boa qualidade, por outro lado, custa uma fração disso e pode ser operado por uma única pessoa, o que democratizou o acesso ao sensoriamento remoto de baixa altitude para pequenos produtores rurais, prefeituras, corretores de imóveis e até jornalistas cobrindo protestos ou desastres naturais.

A grande vantagem do drone é a resolução: voando a poucos metros ou dezenas de metros do solo, ele capta detalhes que nenhum satélite comercial consegue captar, cada folha de uma plantação, uma rachadura em uma estrada, o contorno exato de uma área queimada. A desvantagem é o alcance: um satélite cobre o planeta inteiro em poucos dias, enquanto um drone cobre, no máximo, alguns quilômetros quadrados por voo, o que faz dele um instrumento de escala local, não global.

Na agricultura de precisão, drones sobrevoam plantações periodicamente para detectar áreas com pragas, falhas de irrigação ou deficiência de nutrientes antes que o problema seja visível a olho nu do chão, permitindo correções pontuais em vez de tratar a lavoura inteira do mesmo jeito.

Sistema de posicionamento global - Formado pelas letras iniciais (acrônimo do inglês) de Global Positioning System. Utiliza da comunicação entre os satélites (em órbita) e um aparelho receptor (na Terra) para enviar dados de posição geográfica (Latitude e Longitude).

O GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA no ano de 1973. Trata-se de um sistema de rádio navegação que determina a posição bi ou tridimensional de um ponto qualquer da superfície terrestre. Ele pode ser utilizado 24h por dia, já que o sistema funciona com cerca de 24 satélites orbitando a Terra.

Fonte: https://www.infoescola.com,.

O sistema é formado por três segmentos: espacial, controle e usuários.

Segmento espacial

Constituído por 24 satélites em 6 órbitas (4 satélites em cada);

Altitude aproximada de 20.200km;

Mínimo 4 satélites visíveis em qualquer local da Terra em qualquer hora.

Segmento de controle

Constituído por 5 estações principais de controle, sendo uma central (Colorado, E.U.A) (Colorado, E.U.A). Confira:

Fonte: Fonte: Escola naval.

Monitoram continuamente os satélites;

Determinam e atualizam as posições orbitais;

Preveem a trajetória nas próximas 24h.

Segmento de usuários

Refere-se a tudo que diz respeito a comunidade usuária, civil e militar.;

- Receptores;

- Programas de processamento;

- Métodos e técnicas de levantamentos; (Oliveira, 2011).

Atualmente há dois sistemas de GPS em operação: um norte-americano, o Navstar e um russo, o Glonass, ambos começaram durante a Guerra Fria

Os satélites cumprem órbitas fixas e estão dispostos de modo que, de qualquer ponto da superfície terrestre, seja possível receber ondas de rádio de pelo menos quatro dos 24 satélites.

Os receptores fixos ou móveis, como nos automóveis, captam essas ondas e calculam as coordenadas geográficas do local em graus, minutos e segundos.

Além da latitude e da longitude, é possível obter a altitude do ponto de leitura, o que contribui para a produção de mapas topográficos e a hora local com exatidão. (Sene e Moreira, 2016).

Por que o Waze acha sua localização quase instantaneamente?

Lembra da pergunta do início da aula? Chegou a hora de respondê-la com precisão técnica. Um receptor de GPS "puro" pode demorar de trinta segundos a alguns minutos para calcular sua primeira posição, tempo necessário para captar o sinal de satélites que, às vezes, estão a mais de 20 mil quilômetros de distância, atravessando prédios, nuvens e interferências da cidade. Se fosse só isso, seu aplicativo de mapa demoraria bastante para "achar" você toda vez que abrisse o app.

Só que os smartphones não dependem só dos satélites do GPS. Eles usam uma tecnologia chamada A-GPS (GPS assistido), que combina três fontes de informação ao mesmo tempo: o sinal dos satélites, a localização aproximada das torres de celular próximas (a operadora sabe, mais ou menos, onde cada torre fica) e um banco de dados de redes Wi-Fi com localização conhecida. Cruzando essas três fontes, o celular chega a uma localização inicial em poucos segundos, e só depois refina essa posição com o sinal puro dos satélites.

É por isso que o GPS do carro (que às vezes não tem acesso à rede de celular ou Wi-Fi) demora mais para "pegar" sua localização do que o aplicativo do seu celular, e também por isso que o GPS do celular funciona relativamente bem mesmo dentro de um prédio ou de um túnel, onde o sinal direto dos satélites praticamente não chega: nesses casos, quem está fazendo a maior parte do trabalho é o Wi-Fi e a rede do celular, não os satélites, mesmo que o ícone do aplicativo continue mostrando o símbolo de GPS na tela.

A terceira peça: o que é geoprocessamento?

Você já viu como o sensoriamento remoto captura imagens da Terra e como o GPS localiza um ponto exato na superfície. Falta a terceira tecnologia que forma um SIG, e é provavelmente a menos conhecida das três: o geoprocessamento. Se o sensoriamento remoto é o olho que capta a imagem e o GPS é a régua que mede a posição, o geoprocessamento é o cérebro que cruza essas informações e produz uma resposta útil.

Na prática, geoprocessamento significa usar um software para fazer perguntas espaciais que seriam quase impossíveis de responder à mão. Algumas operações comuns:

Sobreposição de camadas (overlay): imagine uma camada com todos os rios de uma região, outra com a localização de fábricas, e uma terceira com a densidade populacional. Sobrepor essas camadas permite perguntar, por exemplo, "quantas pessoas vivem a menos de 1 km de uma fábrica que despeja resíduos em um rio?", uma pergunta que envolve três informações diferentes ao mesmo tempo.

Análise de buffer (zona de influência): o programa desenha automaticamente um círculo ou faixa de determinada distância ao redor de um elemento, como todas as escolas a menos de 500 metros de uma avenida movimentada, útil para planejar a segurança de pedestres, por exemplo.

Geocodificação: transforma um endereço escrito ("Rua Tal, 123, Bairro Tal") em coordenadas geográficas (latitude e longitude) que um mapa consegue posicionar, o mesmo processo que acontece toda vez que você digita um endereço no Google Maps ou no Waze.

É esse cruzamento de camadas que transforma um simples conjunto de imagens e coordenadas em uma ferramenta de decisão: onde abrir um novo hospital, que área desmatada precisa de fiscalização urgente, qual bairro tem mais risco de enchente. Sem o geoprocessamento, sensoriamento remoto e GPS seriam só dados soltos, sem cruzamento e sem resposta.

Por que aprender a se localizar?

Devido ao potencial estratégico dessa tecnologia ligada ao posicionamento e navegação semelhantes ao GPS, novos sistemas estão sendo desenvolvidos pela China, o BeiDou e pela União Europeia como o Galileo.

O BeiDou (que significa ‘Ursa Maior’, em chinês) entrou em funcionamento no ano 2000 e atende o território chinês quando se trata de navegação por satélite.

Em 2020 o sistema se tornou global com 35 satélites, seguido do GPS (32), do Glonass (26) e do Galileo (26). Pequim assegura que seu sistema terá uma precisão de localização de 10 cm, contra 30 cm do rival GPS.

A corrida por ser líder nessa tecnologia ocorre, dentre outros aspectos, no potencial bélico, ou seja, o seu uso para guerras, como na Guerra do Golfo (1991), considerada a primeira "guerra do GPS" da história por causa do uso massivo de navegação por satélite pelas tropas americanas, e na guerra do Afeganistão (iniciada em 2001). O exemplo mais conhecido de uso de geolocalização em uma operação militar de alto perfil é a que localizou e matou o líder da Al-Qaeda, Osama Bin Laden, em um complexo no Paquistão em 2011.

Os aviões não tripulados eram guiados por GPS e atingiam o alvo com bastante precisão.

Fonte: https://istoe.com.br/88385_BATALHA+AEREA/.

Além de guerras, outros setores beneficiados com essa tecnologia são a agricultura de precisão, os automóveis e os aplicativos de navegação e geolocalização para celulares, tablets, dentre outros.

No caso da agricultura os usos são diversos. Podemos combinar o uso do GPS com o SIG e confeccionar mapas digitais sobre fertilidade do solo e, com a localização precisa, distribuir adubo em cada pedaço da área cultivada, o que pode proporcionar eficácia e economia.

As colheitadeiras e tratores já vem equipados com SIG e GPS, entretanto o alto custo desses veículos limita o acesso, principalmente em países subdesenvolvidos e pobres.

Fonte: https://tecnologianocampo.com.br /aplicacoes-do-gps-agricola/.

O GPS é muito popular e a grande maioria dos automóveis utilizam aplicativos como o Waze ou o próprio google maps para se localizar, além de facilitar o sistema de entrega de mercadorias e de transporte de passageiros e de rastreamentos de transporte de cargas em caso de roubos.

Fonte: http://www.segurancaportuariaemfoco.com.br

Os SIGs no meio técnico-científico-informacional

O espaço geográfico atualmente é muito diferente daquele que seguia estritamente as regras das leis naturais. Hoje ele é formado por tecnologia, informação e sua infraestrutura é constantemente sendo renovada pela ação humana.

A informação é o motor da atividade econômica e sua circulação é fundamental para as tomadas de decisões. Por isso os SIGs estão progredindo rápido nesse meio geográfico, pois permitem sobrepor camadas de informações com o objetivo analisar a organização do espaço.

Fonte: Representação das camadas de um SIG. Pinterest:

Os SIGs são formados por equipamentos (hardware) e programas (software) que processam dados georreferenciados, ou seja, localizados territorialmente por coordenadas geográficas e identificadas por GPS.

Fonte: Fonte: www.geoaplicada.com

O programa mais utilizado é o ArcGIS, versão paga, mas há softwares livres como o Spring do INPE e o QGIS.

Com os dados obtidos de acordo com a localização no território, como renda da população, dados de desmatamento, dentre outros, é possível produzir mapas temáticos, tabelas, gráficos etc. como no exemplo abaixo:

Fonte: Fonte: www.geoaplicada.com

Com esse tipo de mapa ou informações espaciais é possível, dentre outras coisas:

- Planejar onde deve ser investido o dinheiro público, um novo hospital ou uma obra de saneamento básico;

- Levantar quantos imóveis existem no município;

- Organizar o tráfego urbano, melhorar o trajeto dos transportes públicos;

- Localizar atividades turísticas etc.

Infográfico - Resumo

Fonte: Organizado e revisado pelo autor.

Não existe pergunta boba, existe pergunta que não foi feita!

P: Qual a diferença entre o GPS do meu celular e o GPS usado por um avião ou por um exército?

R: A tecnologia por trás é a mesma, o cálculo por triangulação com os satélites, mas a precisão muda bastante. O receptor do seu celular é mais simples e costuma ter uma margem de erro de alguns metros, o suficiente para te guiar até uma rua. Aviões, navios e aplicações militares usam receptores mais caros, combinados com outras correções de sinal, que chegam a uma precisão de centímetros. É por isso que sistemas mais modernos, como o BeiDou chinês, disputam tanto essa precisão: alguns centímetros de diferença podem valer muito dinheiro, ou ter peso estratégico.

P: Se um satélite consegue tirar fotos da Terra o tempo todo, isso quer dizer que alguém pode estar me observando agora mesmo?

R: Tecnicamente, é possível, mas na prática não funciona como nos filmes. Os satélites de sensoriamento remoto não ficam parados sobre um único ponto o tempo todo, eles orbitam a Terra e revisitam a mesma área a cada poucos dias, não a cada segundo. Além disso, a resolução das imagens comerciais mais usadas mostra construções e veículos, não detalhes de uma pessoa. Sistemas capazes de mais detalhes existem, mas são poucos, caros e controlados por governos, justamente por causa do potencial de vigilância que essa tecnologia carrega.

P: Por que o radar consegue enxergar a Amazônia mesmo com tanta nuvem, se ele também é um tipo de sensor remoto?

R: Porque existem dois tipos de sensoriamento remoto: o passivo, que depende da luz do Sol refletida pela superfície (como uma câmera fotográfica comum), e o ativo, como o radar, que emite sua própria energia, na forma de micro-ondas, e capta o retorno desse sinal. Nuvens bloqueiam a luz visível, mas praticamente não interferem nas micro-ondas do radar. Foi exatamente por isso que o projeto RadamBrasil escolheu o radar para mapear a Amazônia nos anos 1970: era a única forma de enxergar o território por baixo das nuvens que cobrem a região boa parte do ano.

Antes de finalizar, vamos revisar o que aprendemos!