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Introdução à confecção de mapas pelo software SURFER®

Professor Emérito da Universidade Estadual Paulista - UNESP

RUBENS CALDEIRA MONTEIRO Doutorando em Geociências e Meio Ambiente – UNESP/Rio Claro

ALESSANDRA CRISTINA CORSI Doutoranda em Geociências e Meio Ambiente – UNESP/Rio Claro

UNESP/campus de Rio Claro

Departamento de Geologia Aplicada - IGCE

Texto Didático 08 2002

Reprodução autorizada desde que citada a fonte

Norma 6023-2000/ABNT http://www.abnt.org.br LANDIM, P.M.B., MONTEIRO, R. C. & CORSI, A. C. Introdução à confecção de mapas pelo software SurferÒ .Geomatemática,Texto Didático 8, DGA,IGCE,UNESP/Rio Claro, 2002. Disponível em <http://w.rc.unesp.br/igce/aplicada/textodi.html>. Acesso em:....

Interpolação e Mapeamento de Variáveis

Neste item são abordados alguns aspectos da análise espacial, principalmente amostragem, interpolação e confecção de mapas de variáveis. Para a elaboração dos mapas é apresentado o programa SURFER® (Golden Software, Inc.), que permite uma rápida visualização do comportamento espacial da variável sob estudo.

1. INTRODUÇÃO

Amostragem

O primeiro passo em qualquer estudo espacial é a definição do delineamento experimental, que envolve, entre outros procedimentos, a escolha da técnica de coleta de amostras e também da malha de amostragem. As malhas de amostragem podem ser do tipo: 1. aleatória, quando a distribuição dos pontos de coleta é casual; 2. agregada ou agrupada, quando ocorrem grupos de pontos mais próximos; e 3. regular ou homogênea, quando os pontos estão regularmente espaçados. O arranjo espacial mais comum é o agrupado, seguido pelo aleatório e por fim o regular. É esperado que o delineamento experimental seja em malha regular, porém, por motivos diversos, é difícil a coleta de dados respeitando-se esse arranjo. Em algumas áreas, como, por exemplo, em geofísica, é mais comum uma amostragem regular.

Aqui não são discutidas as diversas técnicas de amostragem, que podem variar para cada área do conhecimento, objeto e objetivo de estudo, escala de trabalho entre outros fatores, mas ressalta-se a necessidade de se conhecer a posição das amostras no espaço.

Na figura seguinte observa-se uma área hachurada em cinza, representando uma “unidade de conservação” qualquer ou parte dela. Os pontos em preto representam pontos de amostragem, podendo ser um ponto (adimensional), uma parcela (área), o centróide de uma outra técnica de amostragem (como PCQ – ponto centralizado com quadrante) ou mesmo pontos de amostra em trilhas.

Coordenada EW

C o o r d e n a da

Pontos de amostragem (1 a 7) numa área de estudo

O número sobre cada ponto é a sua identificação e os números nos eixos das ordenadas e abscissas são as coordenadas dos pontos no espaço.

Nesses pontos são medidas as variáveis em estudo, tais como: circunferência na altura do peito (CAP) de determinada espécie vegetal, número de capturas de certo animal, teor de concentração de um elemento químico específico ou qualquer outra variável em estudo. Desta forma, apresentam-se os dados em uma tabela, por exemplo:

Ponto Coord. EW Coord. NS CAP (jequitibá) # Capturas (morcegos) Teor (Arsênio) 1 9 3 424 cm 6 15 ppb 2 6 5 322 cm 2 4 ppb 3 1 7 288 cm 0 3 ppb

A partir das coordenadas do ponto e dos valores assumidos pela variável nesses pontos, pode-se obter um mapa da distribuição espacial para cada variável, utilizando-se um algoritmo de interpolação.

As coordenadas para cada ponto devem ser obtidas no mesmo sistema de referência.

Normalmente utilizam-se mapas com projeção Universal Transversa de Mercator (UTM), em metros ou quilômetros, utilizando-se o mesmo datum do mapa base, por exemplo, Córrego Alegre (MG), SAD-69 ou WGS-84 para datum horizontal e Imbituba (SC) para datum vertical. É sugerido que essas medidas sejam obtidas com equipamentos de GPS (posicionamento global por satélite) para minimizar os erros associados, principalmente em áreas que não se tenham referências como estradas, edificações, linhas de transmissão, acidentes geográficos (rios, córregos, morros etc.), que é o caso de muitas unidades de conservação.

Interpolação

Interpolar é predizer (ou estimar) o valor da variável em estudo num ponto não amostrado. Na figura abaixo a cruz representa o ponto que se pretende predizer o valor.

Pontos de amostragem (1 a 7) e de estimativa (x) numa área de estudo

A base de muitos métodos de interpolação é a mesma. O valor de um ponto a ser predito (Z*) é a somatória do produto entre o valor da variável de um ponto conhecido (Zi) por um peso calculado ( i) para os pontos i, variando de 1 até N, onde N representa o número total de pontos considerados.

i iZ 1

Para isso, pode-se utilizar os pontos já conhecidos, no caso da figura anterior, pontos 3, 5, 6 e 7. Um primeiro valor seria a média aritmética dos pontos mais próximos, assim os pesos dos pontos seriam iguais. Para 4 pontos utilizados (N=4), na forma geral, tem-se:

Desse modo, o cálculo do valor da variável no ponto a ser predito, pela média aritmética, é:

iil

Na verdade, é até intuitivo que, quando trabalhando no espaço, pontos conhecidos mais próximos aos pontos a serem preditos devam ter um peso maior, pois sua influência é maior. Assim, poder-se-ia utilizar um outro algoritmo para calcular os pesos, baseado no Inverso da Distância, que estabelece que quanto menor for a distância entre o ponto conhecido e o predito, maior será o peso:

ZdZdZdZd Z iil

Qual é, porem, o valor real? O único jeito de saber é medindo a variável no ponto que foi predito, sabendo ainda que poderá haver um erro associado à medida, dado pela calibração do equipamento utilizado, da técnica de medida e outros erros associados. Assim, a questão passa a ser qual é o valor mais próximo ao real? Neste caso a resposta é bem mais difícil.

Existe um número significante de métodos de interpolação que podem fornecer resultados divergentes, mas cada um vai ter uma resposta para cada variável em estudo.

Os métodos mais comuns de interpolação são: Vizinho mais Próximo, Vizinho Natural,

Triangulação Linear, Triangulação de Delaunay, Polígonos de Voronoi, Inverso da Potência da Distância (sendo o IQD, Inverso do Quadrado da Distância o mais utilizado), Mínima Curvatura (Spline), Regressão Polinomial, Krigagem (com mais de 30 técnicas distintas) e Máxima

Entropia Bayesiana.

LANDIM (2000) apresenta a comparação entre alguns desses métodos e “dicas” práticas das vantagens e desvantagens de cada um e quando usar ou não:

Algoritmo Fidelidade aos dados originais Suavidade das curvas Velocidade de computação

Precisão geral

5 2. SOFTWARE PARA INTERPOLAÇÃO

O SURFER® é um pacote de programas comerciais desenvolvidos pela Golden Software

Inc. que pode ser utilizado para a confecção de mapas de variáveis a partir de dados espacialmente distribuídos. É uma importante ferramenta para o técnico ou pesquisador, já que facilita o seu trabalho, evitando traçar mapas com réguas, transferidores e outros instrumentos, reduzindo o tempo desse processo e sendo menos subjetivo, pois usa algoritmos matemáticos para gerar suas curvas, otimizando o trabalho do usuário. Inicialmente desenvolvido em plataforma DOSÒ, a partir da versão 6 passou a ser executado na plataforma WINDOWSÒ, sendo a ultima versão a de numero 8.

Informações adicionais sobre esse software podem ser adquiridas no site http://www.goldensoftware.com/ Este texto, com finalidade didática, foi elaborado baseado no SURFER® versão 7.0 (1999) e, portanto, algo pode diferir se forem utilizadas outras versões. Como este material é de caráter introdutório não são explorados todos os recursos disponíveis pelo programa e expostos no respectivo manual.

Aplicações

A representação de dados no espaço é essencial em diversas áreas das ciências, principalmente nas ciências naturais e seu uso é extensivo em agronomia, biologia, ecologia, geografia, geologia, metereologia, etc. Exemplos de mapas que podem ser gerados com este programa são mapas topográficos a partir da medida da posição (coordenadas) e altitude de alguns pontos de um terreno. Mais adiante serão citadas outras aplicações.

Conceitos Básicos

para a previsão

Antes de qualquer coisa é preciso lembrar que é imprescindível o conhecimento do usuário sobre o tema a ser pesquisado, pois obter um mapa com forte efeito estético é fácil usando estes recursos, porém, o mais importante é poder verificar o significado do resultado obtido para que o mapa, entendido como modelo, possa ser útil para a explicação e mesmo A seguir é visualizada a tela inicial do programa quando executado.

Na área em branco são plotados os mapas gerados e o menu, no topo, permite selecionar os procedimentos para entrada de dados, geração, visualização e edição dos mapas. Vide abaixo os itens do primeiro menu:

Em FILE encontra-se as opções para abrir, fechar e salvar os arquivos, importar e exportar arquivos em formatos diferentes dos utilizados pelo SURFER®, que serão discutidos mais adiante, além de opções para imprimir as figuras geradas.

O item EDIT é utilizado basicamente para copiar, colar, apagar, selecionar e identificar objetos (mapas, escalas, legendas, símbolos etc.), além de desfazer e refazer procedimentos imediatamente anteriores e posteriores executados. VIEW é usado para definir o modo de visualização das figuras, escalas e réguas auxiliares.

7 No item DRAW estão ferramentas para desenho e texto que podem ser acrescentados aos mapas, úteis para a apresentação de um mapa final. O item ARRANGE possui comandos para a manipulação dos objetos da figura, tais como rotação e ordem (sobreposição) desses objetos. Em GRID encontram-se os subitens mais importantes do programa, que são utilizados para a geração das malhas de pontos dos mapas, sendo o núcleo do SURFER®. Suas características são discutidas com mais detalhe posteriormente.

MAP contém os recursos de visualização dos mapas gerados, podendo ser um mapa de contornos (mais comumente usado), mapa de pontos amostrais, relevo sombreado, mapa de vetores e superfície pseudo 3-D (wireframe), além da associação com mapas base. Também nesse submenu são encontradas as opções de associação, escala e rotação de mapas.

O item WINDOW do menu principal somente é usado para a organização das janelas de plotagem e planilha de dados.

Por fim, o item HELP possui as informações que podem ser necessárias para entender os algoritmos do programa e seu funcionamento.

2.2. Arquivo de Dados

Criando um arquivo de dados

Um mapa é construído usando-se a posição espacial de um determinado ponto e o valor correspondente à variável medida, seja qual for sua natureza, normalmente representados pelos valores X, Y e Z. Assim, as coordenadas são os valores X, posição do ponto no eixo da ordenada leste-oeste, e Y, posição na abscissa norte-sul, e Z é o valor observado da variável nesse ponto.

O SURFER® possui uma planilha de entrada de dados, que permite importar planilhas de diversos aplicativos, como Excel®, Lotus®, além de outros formatos que podem ser “importados” simplesmente copiando e colando de outros programas.

Para acessar a planilha de dados basta selecionar FILE | NEW | WORKSHEET, como na figura seguinte.

Acessando a planilha de dados

Aberta a planilha, basta completar as células com os dados, podendo colocar rótulos na primeira linha das colunas com o nome das variáveis. O usual é que a primeira coluna contenha os valores de X, a segunda os valores de Y e na terceira os valores da variável Z.

Podem ser gravadas diversas variáveis Zi, porém o programa executa apenas uma variável por vez. Deve-se atentar para a utilização da vírgula ou do ponto para as casas decimais, conforme a configuração regional escolhida do Windows.

Exemplo de planilha de dados

Neste exemplo há somente a variável Z como variável dependente, sendo X e Y as variáveis independentes relacionadas à posição de Z no sistema cartesiano. Essa variável Z

9 pode representar a concentração de um determinado elemento químico, a resposta geofísica de dado meio, a cota topográfica ou qualquer outra variável. Em se trabalhando com mais de uma variável dependente, pode-se adicioná-las nas colunas sucessivas, como na figura seguinte:

Exemplo de planilha de dados multivariados

É possível notar na figura anterior que a célula selecionada, no caso, a célula B6 (coluna

B, linha 6), mostra seu valor e permite alterá-lo.

No item FORMAT | CELL PROPERTIES pode-se mudar as propriedades das células selecionadas: com as teclas shift e/ou control, ou pressionando na letra ou número da coluna ou linha, respectivamente; modificar o formato numérico (casas decimais, por exemplo); alinhamento (ALIGNMENT) e cor de fundo (BACKGROUND). O submenu de formatação (FORMAT) apresenta ainda possibilidades de mudar a largura da linha ou da coluna.

Um menu muito útil é o DATA, pois permite classificar as linhas de dados por ordem crescente ou decrescente (SORT); criar uma nova coluna que seja o resultado de operações matemáticas básicas de outras colunas (TRANSFORM), por exemplo fazendo que a coluna D seja o resultado da multiplicação da coluna C por um fator de escala 1,25 (D=C*1,25), ou apresentar as estatísticas básicas de uma coluna, linha, de toda a planilha ou parte dela, segundo a seleção do usuário (STATISTICS...).

O menu EDIT da planilha (Worksheet) apresenta ainda opções de limpar (CLEAR), inserir (INSERT) ou apagar (DELETE) linhas, colunas ou partes da planilha.

Assim, com os dados devidamente digitalizados, grava-se o arquivo para posteriormente fazer sua leitura. O SURFER® 7 apresenta diversos formatos para a gravação de dados. É preferível, talvez, gravar no formato de Planilha do Excel® (.XLS), bastante comum e instalado

10 nos computadores, porém nada impede que se utilize o formato de dados do próprio

SURFER®, com extensão .DAT e no formato de ASCII (American Standard Code for Information Interchange), que pode ser editado num programa mais simples como o Notepad®

Com os dados gravados, pode-se fechar essa janela e voltar à área de plotagem (Plot Document).

2.3. Mapeamento

A parte mais importante na geração desses mapas é a escolha do método de interpolação, pois métodos diferentes geram resultados diferentes, podendo conduzir a conclusões diversas.

O primeiro passo é, portanto, entrar com os dados no menu GRID|DATA. Para tanto selecionar o arquivo de dados, neste caso exemplo.dat, tendo o cuidado de saber em que diretório o mesmo foi gravado), pressionar ABRIR (ou OPEN se o Windows® for em inglês).

No link DATA são encontradas as opções referentes aos dados. No exemplo deste texto, como já explicado, a variável X corresponde ao eixo das ordenadas X, a variável Y corresponde ao eixo das abscissas e Z ao valor assumido pela variável no ponto.

Caso se tenha mais de uma variável é necessário escolher entre as variáveis pressionando na seta de Z em Data Columns. Somente é possível mapear, pelo SURFER®, uma variável por vez. Quando se pretende mapear uma variável associando-se com outras é sugerido métodos de Cokrigagem Co-alocada, Krigagem com Deriva Externa (DEUTSCH & JOURNEL, 1992), Máxima Entropia Bayesiana Vetorial (CHRISTAKOS, 2000) e outras técnicas geoestatísticas, além de técnicas multivariadas regionalizadas.

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