arquitetura de software para construção

8/2/2019 Arquitetura de Software para Construo

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XVII Simpsio Brasileiro de Banco de Dados

Arquitetura de Software para Construode Bancos de Dados Geogrficos com SGBD Objeto-Relacionais

KARINE REIS FERREIRA, GILBERTO RIBEIRO QUEIROZ, JOO ARGEMIRO PAIVA , RICARDOCARTAXO MODESTO DE SOUZA, GILBERTO CMARA

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPEAv. dos Astronautas, 1758, So Jos dos Campos (SP), Brazil 12227-001

{karine, gribeiro, miro, cartaxo, gilberto}@dpi.inpe.br

Resumo Este artigo descreve uma arquitetura de software para o desenvolvimento de banco de dados geogrficos

utilizando SGBDs objeto-relacionais, como o PostgreSQL e Oracle Spatial, compartilhando uma interface de

programao comum. Este trabalho parte da TerraLib, um software de cdigo fonte aberto e de ambientecolaborativo, usado para o desenvolvimento de ferramentas SIGs.

AbstractThis paper describes a software architecture for development of geographic databases that uses object-

relational DBMS, like PostgreSQL and Oracle Spatial, sharing a common programming interface. This work is

part of TerraLib, an open source software allowing a collaborative environment and use for the development of

multiple GIS tools.

1. IntroduoA rea de bancos de dados geogrficos (BDG) e o desenvolvimento de tecnologia de

sistemas de informao geogrfica (GIS) estaro passando por mudanas substanciais nosprximos anos, induzidas por uma nova gerao de SGBDs objeto-relacionais, como oORACLE e POSTGRESQL, que permitem incorporar tipos de dados espaciais. Deste modo,abre-se a perspectiva da construo de GIS onde tanto os atributos como as geometrias dedados espaciais sejam gerenciados pelo SGBD. Esta integrao tem o potencial de mudarcompletamente o desenvolvimento de tecnologia de GIS, permitindo a transio dos atuaissistemas monolticos (que contm centenas de funes) para uma nova gerao de aplicativosgeogrficos (spatial information appliances), sistemas dedicados para necessidadesespecficas [4]. Deste modo, um desafio importante para a comunidade de BDG encontrarmaneiras de utilizar a nova gerao de SGBD com tipos de dados espaciais.

Uma das respostas possveis para este desafio o estabelecimento de uma rede dedesenvolvimento cooperativo, baseado em tecnologia open source. De forma similar ssolues ligadas tecnologia Linux, a disponibilidade de software livre para GIS permitiria apesquisadores e provedores de solues o acesso a um conjunto mais amplo de ferramentas doque atualmente oferecido por companhias comerciais. Com esta motivao, os autores estodesenvolvendo a TerraLib [2], uma biblioteca de software livre base para uma nova geraode aplicativos geogrficos.

Um dos desafios importantes no desenvolvimento de uma biblioteca como a TerraLib compatibilizar as capacidades oferecidas pelos diferentes SGBD objeto-relacionais numanica interface de programao de aplicaes. Para isto, torna-se necessrio descrever as


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operaes de consulta e armazenamento de dados espaciais de forma genrica, e realizar o

mapeamento para as caractersticas especficas de cada SGBD. Neste contexto, este artigo

descreve uma arquitetura de software para construo de bancos de dados geogrficos que

utilizam SGBD objeto-relacionais, mantendo uma mesma interface de programao. O

trabalho faz parte do desenvolvimento da TerraLib, cuja primeira verso possui drivers para

os SGBD ORACLE e POSTGRESQL. Nas sees seguintes, detalharemos a arquitetura desoftware utilizada. Na seo 2, descrevemos as extenses espaciais do ORACLE e do

POSTGRESQL. Na seo 3, descrevemos em detalhe a arquitetura de software. Na Seo 4,

ilustramos as capacidades da TerraLib a partir da descrio do aplicativo TerraView, um

ambiente simplificado para visualizar dados espaciais.

2. Extenses Espaciais de SGBDAtualmente, existem basicamente trs extenses comerciais disponveis no mercado

para tratar de dados geogrficos no formato vetorial: Oracle Spatial[11], IBM DB2 Spatial

Extender [9] e Informix [6]. No universo do software de cdigo fonte aberto e gratuito existe

um projeto para a construo de uma extenso geogrfica baseada no PostgreSQL [7],chamada de PostGIS [10]. Todas essas extenses baseiam-se nas especificaes do OpenGIS

[3], porm, apresentam variaes relevantes entre os modelos de dados, semntica dos

operadores espaciais, mecanismos de indexao e esquema e sintaxe da SQL estendida com

tipos espaciais. A seguir, so apresentadas as caractersticas e funcionalidades de algumas

destas extenses.

2.1.Oracle SpatialO Oracle Spatial uma extenso espacial do SGBD Oracle, que utiliza seu modelo

objeto-relacional. Esta extenso contm um conjunto de funcionalidades e procedimentos que

pemite armazenar, acessar e analizar dados espaciais em um banco de dados Oracle. Seu

modelo de dados consiste em uma estrutura hierrquica de elementos, geometrias e layers;

onde layers so compostos por geometrias, que por sua vez so compostas por elementos. Os

elementos podem ser do tipo Point, LineString ou Polygon (com ou sem ilhas). Uma

geometria pode ser formada por um nico elemento ou por um conjunto homogneo

(MultiPoint, MultiLinesString ou MultiPolygon) ou heterogneo (Collection) de elementos. E,

finalmente, um layer formado por um conjunto de geometrias que possuem os mesmos

atributos.

Devido utilizao de um modelo objeto-relacional, cada geometria armazenada em

um objeto chamado SDO_GEOMETRY. Este objeto contm a geometria em si, suas

coordenadas, e informaes sobre seu tipo e projeo. Em uma tabela espacial, os atributosalfanumricos da geometria so definidos como colunas de tipos bsicos (VARCHAR2,

NUMBER, etc) e a geometria, como uma coluna do tipo SDO_GEOMETRY. Sendo assim,

cada tabela espacial armazena um layer, o qual composto pelo conjunto de todas geometrias

desta tabela.

O Oracle Spatial fornece um conjunto de operadores e funes espaciais, que so

utilizados juntamente com a linguagem SQL, para suportar consultas espaciais. Para consultar

relaes topolgicas entre duas geometrias utilizado um operador chamado SDO_RELATE.

Este operador implementa o Modelo de 9-Intersees definido por Egenhofer [5]. Este

modelo considera as intersees, vazia (0) ou no vazia (1), entre os interiores, fronteiras e

exteriores de duas geometrias. O SDO_RELATE recebe como parmetro o tipo de relao


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topolgica que deve ser computada. Os possveis parmetros so : Equal, Disjoint, Touch,

Inside, OverlapBdyIntersect, OverlapBdyDisjoint, Anyinteract, Contains, On, Covers e

Coveredby.

Quanto indexao espacial, esta extenso fornece dois tipos de ndices R-tree e

Quadtree. Cada um desses ndices apropriado para diferentes situaes e podem ser usados

simultaneamente para indexar uma mesma coluna geomtria. Um cenrio que ilustra o usoprtico desta extenso o seguinte: O oficial encarregado do servio contra incndios precisa

de uma lista de todas as reas sensveis dentro de um raio de 8 km de uma rea de lixo

txico.

Figura 01: Cenrio do problema

Partindo do princpio da existncia de duas tabelas com atributos espaciais:

zona_sensvel area_risco

Nome Atributo Tipo Nome Atributo Tipo

nome VARCHAR2(50) nome VARCHAR2(50)zona SDO_GEOMETRY local SDO_GEOMETRY

A seguinte consulta em SQL poderia ser utilizada para responder o problema:

SELECT ass.nome, ar.nome

FROM AREA_RISCO ar, AREA_SENSIVEL ass,

USER_SDO_GEOM_METADATA m

WHERE m.table_name = AREA_RISCO AND

(SDO_RELATE(ass.zona,

SDO_GEOM.SDO_BUFFER(ar.local, m.diminfo,

8000), mask=ANYINTERACT querytype=WINDOW) =TRUE);

2.2.PostgreSQLO PostgreSQL [12] um sistema gerenciador de banco de dados objeto-relacional,

gratuito e de cdigo fonte aberto. Em sua distribuio oficial, oferecido os seguintes

recursos para trabalhar com dados espaciais: Tipos geomtricos: point, box, path, polygon e circle.


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Indexao espacial: possui uma R-Tree, cuja implementao est limitada a dadoscom at 8Kbytes, sendo bastante limitada para dados geogrficos reais. No entanto,

permite a definio de uma R-Tree sobre o mecanismo de indexao conhecido

como GiST [8]. Operadores espaciais: apresenta apenas alguns poucos operadores e bem limitados.

Por exemplo, no operador contm (@) uma das geometrias deve ser do tipo pontoe o operador igual (~=) s aplicado a duas geometrias do tipo polgono

(polygon).

Como as funcionalidades oferecidas so bastante limitadas para o desenvolvimento de

Sistemas de Informao Geogrficas, uma nova extenso est em desenvolvimento. O

PostGIS, como ela chamada, uma extenso geogrfica, gratuita e de cdigo fonte aberto,

que visa permitir ao SGBD PostgreSQL gerenciar informaes geo-espaciais. Sendo sua

definio e implementao baseadas nas especificaes do OpenGIS. Atualmente, o PostGIS

conta com os tipos de dados espaciais contidos na especificao do OGIS e utiliza um

mecanismo de indexao R-Tree sobre o esquema do GiST. Os operadores espaciais

encontram-se em desenvolvimento.

3. Arquitetura de SoftwareUm dos objetivos da TerraLib o desenvolvimento de aplicativos GIS baseados nos

avanos tecnolgicos dos sistemas de bancos de dados, especialmente os espaciais, realizando

a completa integrao dos tipos de dados espaciais dentro dos SGBDs [1]. Para realizar tal

tarefa, ela fornece uma arquitetura que d acesso direto aos dados que podem ser armazenados

em diversos SGBDs, como Oracle Spatial, PostgreSQL e MySQL, possibilitando a criao e a

manipulao de bancos de dados geogrficos. Essa arquitetura fornece uma interface comum

que possibilita ao desenvolvedor em no ter que se preocupar com os detalhes de cada SGBD.

Isso permite que este enfoque nas funcionalidades que um GIS deve ter, como ferramentas

para anlise espacial, visualizao grfica dos dados geogrficos e entrada de dados ao invs

de se preocuparem com o gerenciamento dos dados. A arquitetura para construo de bancos

de dados geogrficos apresentada neste trabalho (Figura 02) encontra-se implementada na

TerraLib e composta pelos seguintes componentes: Modelo de Dados: composto por um conjunto especfico de tabelas para a

representao dos dados geogrficos nos SGBDs. Kernel: composto pelas classes bsicas (estruturas de dados) para representao

em memria dos dados geogrficos tanto no formato vetorial quanto matricial, por

operadores topolgicos e direcionais, classes de sistema de projeo e algoritmos. Drivers: formado por classes que fornecem uma interface comum e que do o

suporte bsico para trabalhar com os dados geogrficos nos SGBDs. SGBDs: a TerraLib permite a integrao tanto com SGBDs Relacionais quantocom Objeto-Relacionais. Atualmente, ela possui interface com o SGBD relacional

MySQL e com os objeto-relacionais Oracle Spatial e PostgreSQL. Os drivers so

os responsveis em manter essas interfaces.


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PostgreSQLMySQL

Modelo de Dados

Kernel

Driver PostgreSQLDriver MySQLDriver Oracle

Database Driver

Oracle

Figura 02: Arquitetura da TerraLib para construo de bancos geogrficos

3.1.Modelo de DadosO modelo de dados dessa arquitetura define um conjunto especfico de tabelas com o

objetivo de facilitar a representao dos dados geogrficos nos SGBDs. Neste esquema, as

informaes geogrficas sobre um determinado objeto ou fenmeno geogrfico so

representadas em um plano de informao (layer). Um plano de informao (PI) pode ser

composto por mais de um tipo de representao (vetorial ou matricial), estando ou no

associado a uma tabela de atributos no espaciais.

Na representao vetorial, um dado pode ser mapeado para trs tipos de tabelas com

colunas capazes de representar polgonos, linhas ou pontos. Estas tabelas possuem um campopara fazer a ligao com a tabela de atributos no espaciais correspondente. Na representao

matricial (raster) feito um particionamento do raster por linhas, onde cada linha

armazenada em um registro da tabela em colunas do tipo BLOB. A Figura 03 ilustra, de

maneira simplificada, o modelo de dados.

Conforme pode ser observado no modelo apresentado na Figura 03, a tabela planos

contm as informaes de cada PI, seu nome, retngulo envolvente (mbb) e o nome da tabela

de atributos no espaciais associada ele. A tabela representacao possui um campo que

contm o ndice do PI, outro chamado geomtipo que indica o tipo de representao (ponto,

linha, polgono ou matricial) e outro chamado tabela que contm o nome da tabela onde os

dados espaciais daquela representao esto armazenados.

Neste modelo, um PI pode estar associado a diferentes temas, cada um comcaractersticas especficas. Por exemplo, podemos ter um PI que contenha todos os estados do

Brasil com seus atributos, rea, populao, taxa de analfabetismo, dentre outros. Uma

consulta sobre esse PI, como por exemplo, selecione todos os estados onde a populao seja

maior que 5 milhes, resultaria em um novo tema associado a este PI, e no a um novo PI.

Este tema armazenado na tabela temas contendo as clusulas da consulta em SQL que o

gerou, e associado ao PI correspondente atravs do relacionamento entre as tabelas planos

e temas. Alm disso, cada tema associado a uma legenda, a qual armazenada na tabela

legendas, que contm caractersticas de visualizao, como cores, formatos e tamanhos.


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Para uma melhor organizao dos dados no SGBD, este modelo implementa o

conceito de vises que so associadas aos usurios. Assim, cada usurio cria suas prprias

vises e associa a cada uma os temas relacionados. Pode-se dizer que o conceito de vises

semelhante a idia de diretrios, onde cada usurio possui seus diretrios que contm

informaes relacionadas sobre um mesmo assunto.

Figura 03 : Modelo de Dados simplificado

3.2.KernelAs classes do Kernel para manipulao dos dados em memria esto mostradas na

Figura 04. As instncias dessas classes podem ser armazenadas nos SGBDs seguindo o

esquema de representao mostrado na seo anterior, atravs do driver de banco de dados.

TePolygon

TePolygonSet

TeLinearRing

TeLine2D

TePoint

TeGeometry

TeGeomSingleTeGeomComposite

TeCoord2D TeRaster

TeLineSet

TePointSet

(TeCoord2D)

(TeCoord2D)

(TeLinearRing)

(TePolygon)

(TeLine2D)

(TePoint)

TT TT

Figura 04: Classes do Kernel da TerraLib


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Uma instncia de um TePolygonSet pode ser armazenado no banco como um polgono

por tupla ou no, dependendo do driver e do suporte oferecido pelo banco, sendo transparente

para o desenvolvedor.

3.3.Database DriverO driver de banco de dados uma interface entre os diversos sistemas de bancos de

dados e o Kernel da TerraLib. Ele permite o armazenamento, recuperao e manipulao dos

dados geogrficos - a saber, os seus atributos espaciais e no espaciais - diretamente nos

SGBDs, sem a necessidade de utilizao de estruturas proprietrias. Para cada SGBD criado

um driver especfico que implementa um conjunto comum de interfaces para manipulao e

definio do esquema da base geogrfica. Essa arquitetura muito semelhante da ODBC.

Cada driver d o suporte necessrio para trabalhar com o esquema em um SGBD

especfico, fornecendo mtodos que criam este esquema e que fazem o mapeamento entre os

tipos de dados deste SGBD para os tipos de dados presentes no kernel da biblioteca. Alm

disso, ele traduz as consultas espaciais para o dialeto SQL de cada SGBD, delegando a estesua execuo. Esses drivers devem explorar ao mximo os recursos oferecidos pelos SGBDs,

principalmente, os que apresentam extenses espaciais capazes de fornecer mecanismos de

indexao espacial, tipos de dados e operadores espaciais. A interface comum desses drivers

definida por duas classes abstratas, TeDatabase e TeDatabasePortal.

A classe TeDatabase fornece a interface para: Estabelecimento de conexo com o servidor de banco de dados Execuo de comandos SQL DDL e DML Criao de novas tabelas Criao do modelo de dados da TerraLib Definio dos ndices espaciais Criao de integridade referencial e ndice secundriosA classe TeDatabasePortal apresenta em sua interface mtodos para:

Execuo de consultas SQL que retornem um conjunto de resultados Manipular o conjunto de resultados da execuo de uma consulta Insero, atualizao e recuperao das geometrias segundo o modelo de dados

apresentado anteriormente. Execuo de consultas espaciais Armazenamento e recuperao de dados matriciaisO driver de cada banco ser responsvel pelos detalhes de implementao desta

interface. Abaixo, so apresentados os drivers do Oracle Spatial e do PostgreSQL mostrando a

particularidades de cada um.


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3.3.1. Driver Oracle. O driver de interface com o SGBD Oracle, utiliza os recursosoferecidos pela sua extenso espacial Oracle Spatial, como tipos de dados, operadores e

mtodos de indexao espaciais. Neste driver, os tipos vetoriais da TerraLib, TePoint,

TeLine2D e TePolygon, so mapeados para objetos do tipo SDO_GEOMETRY. Este objeto

armazena o tipo da geometria (como por exemplo, Point, Line String, Arc Line String,

Polygon, Polygon with holes), sua projeo e suas coordenadas. Cada geometria armazenada em um registro, por exemplo, um polgono que contm ilhas, armazenado

completamente em um SDO_GEOMETRY do tipo Polygon with holes.

Quanto indexao espacial, ele utiliza os mtodos fornecidos pela extenso, R-tree e

Quadtree. Neste caso, o desenvolvedor escolhe o tipo de indexao mais apropriada para seus

dados geogrficos. Alm disso, este driver utiliza funes disponveis nesta extenso para

avaliar a performance dos ndices criados (ANALYZE_RTREE) e para reconstruir um antigo

ndice, depois de inserir novas geometrias (ALTER INDEX REBUILD). As consultas

espaciais utilizam os operadores e funes espaciais disponveis. Por exemplo,

SDO_RELATE para consultar relaes topolgicas entre geometrias, SDO_BUFFER para

retornar uma nova geometria a partir de outra e SDO_DISTANCE para retornar a distncia

entre duas geometrias. Neste caso, o driver monta a consulta em SQL utilizando osoperadores e funes correspondentes, e o passa para o SGBD computar.

3.3.2. Driver PostgreSQL. O driver para banco de dados PostgreSQL utiliza os tiposPOINT, PATH, POLYGON e BLOB para armazenar em uma tupla os tipos de dados

TePoint, TeLine2D, TeLinearRing e TeRaster respectivamente. Cada anel (TeLinearRing) de

uma instncia de um TePolygon armazenado em uma tupla, pois o tipo POLYGON no

permite o armazenamento de polgonos com ilhas. Quanto indexao, este driver no utiliza

a R-Tree padro do PostgreSQL devido s suas limitaes, empregando a R-Tree construda

sobre o GiST.

Os mtodos de consultas espaciais deste driver utilizam uma estratgia de duas etapas

para o seu procesamento. Primeiramente, feito um filtro pelo retngulo envolvente da

geometria atravs de operadores que utilizam o ndice espacial do SGBD. Na segunda etapa, o

resultado avaliado com os operadores espaciais do kernel, que computam a geometria exata.

Isso feito porque o PostgreSQL no apresenta suporte para todos os operadores topolgicos.

Futuramente, este driver ser construdo sobre o PostGIS, de forma a delegar a esta extenso

tanto os recursos de indexao e tipos de dados quanto os operadores espaciais.

4. TerraViewO TerraView, desenvolvido pela DPI/INPE, um aplicativo open source construdo

sobre a TerraLib, utilizando a arquitetura apresentada neste trabalho. As Figuras 05 e 07ilustram sua interface grfica. Este software contm as seguintes caractersticas: Interface com diferentes SGBDs: possibilita que o usurio selecione o SGBD a ser

utilizado, instanciando o driver correspondente e fazendo a conexo com o servidor de

dados. Suporte a tipos de dados espaciais: o software suporta diferentes tipos de dados espaciais,

incluindo polgonos, linhas, redes, clulas, pontos, imagens e superfcies. Ferramentas de visualizao: permite a visualizao do dado geogrfico, de sua

componente espacial atravs do um canvas e de seus atributos afanumricos atravs de

uma tabela. Alm disso, possuem algumas ferramentas como zoom in e zoom out.


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Integrao de dados espaciais: possibilita a integrao de layers de diferentes tipos(superfcies, pontos, etc.) combinados em um mesmo frame.

Importao de dados: permite a importao de dados a partir de arquivos em formatosproprietrio (como por exemplo, shape file e mif) para o esquema definido no SGBD.

Consultas espaciais: disponobiliza alguns tipos de consultas que podem ser aplicadas aosdados de um nico layer ou de dois layers distintos.

Figura 05: Interface Grfica do Aplicativo TerraView

Na Figura 05, mostrado a visualizao de dois PIs, setores e ruas, ambos formados

por dados de representao vetorial, um por polgonos e o outro por linhas, respectivamente.

Um tipo de consulta espacial feita sobre o plano setores mostrado na parte superior do PI,

onde todos os setores adjacentes a um especfico, selecionado pelo usurio diretamente no

canvas, foram retornados e preenchidos por branco. H ainda opes de fazer consultas entreos dados de dois PIs distintos, como por exemplo, retornar todas as ruas que cruzam as

fronteiras de um setor especfico. Esta consulta ilustrada na Figura 06, onde as ruas

retornadas so pintadas de branco. A Figura 07 mostra a visualizao de uma imagem no

TerraView, utilizando os recursos dos drivers para armazenar e recuperar dados matriciais.


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