arquiteturas para bancos de dados geográficos - ufpa.br€¢ linguagem de consulta: sql +...

1INPE

Arquiteturas para BancosArquiteturas para Bancos de de Dados DadosGeográficosGeográficos

- Evolução da tecnologia

- Requisitos para SGBDG

- Acesso aos dados

- Arquitetura de BDG

INPE -INPE - Divisão Divisão de de Processamento Processamento de de Imagens Imagens

Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 2

Evolução da TecnologiaEvolução da Tecnologia

• 1a. Geração de SIG (~1983-1990)

– Ambientes centralizados (UNIX): grande número defunções, complexidade e necessidade de suporte

– Ambientes PC (DOS): facilidade de uso, capacidadelimitada

• 2a. Geração de SIG (~1990-2000)

– Ambientes Distribuídos (Windows): interfacesamigáveis, funções simplificadas

• 3a. Geração de SIG (~2000)

– Uso da Internet


Evolução da TecnologiaEvolução da Tecnologia

CAD, Cartografia

Desenho de Mapas

Projetos isolados

Pacotes separados

Tecnologia

Uso princ.

Ambiente

Sistemas

BDados, Imagens

Análise Espacial

Cliente-servidor

Software integrado

Sist. Distribuídos

Centro Dados

Multi-servid., WWW

Interoperabilidade

1a. geração 2a. geração 3a. geração

(1983-1990) (1990-2000) (2000-?)


SIGs deSIGs de primeira geração primeira geração: CAD: CADcartográficocartográfico

• Tecnologia

• sistemas orientados a projetos

• enfatizam capacidade de entrada e geração demapas

• Utilização

• produção de mapeamento básico e temático

• entrada de dados sem previa definição do Bancode Dados

• trabalhos importantes, dados inacessíveis


Segunda GeraçãoSegunda Geração:: Banco dados Banco dadosgeográficogeográfico

• Tecnologia

• ambientes integrados a SGBD relacionais

• linguagem de consulta: SQL + extensões

• técnicas de controle de transações

• Utilização

• exige reorganização institucional

• SIG como parte da gerência de informações daempresa

• Banco de Dados corporativo integrado ao SIG


Metodologia consistente

Identidade de objetos

Suporte a múltiplas escalase projeções

Folheamento (“Browsing”)

Ex: Desfloretamento da Amazônia com 228 projetos com 5planos cada (fisionomia, hidro, viária, minicipios e desflor.) emuma área de 5 milhões de km2

Base de Dados de Grande Porte


Metodologia consistenteMetodologia consistente - Base de Dados de Grande Porte

• Definição única dos atributos

– ex: Tipos de Solo

R-I R-II R-III

R-IV R-V

Tipo Ph Visual

Latossolo

6.5

8.5

Cambissolo

vermelho

verde


Requisitos emergentes paraRequisitos emergentes para SGBDG SGBDG

• Definição do modelo de dados

• Identidade de objetos

• Acesso aos dados

• Gerência de transações

• Modelagem de processos

• Arquitetura multi-nível

• Extensibilidade


Definição do Modelo de Dados - Requisitos emergentes para SGBDG

• Relações de especialização e agregação

Hospital

HospitalINSS

Hospitalprivado

Rede elétrica

Poste Sub-estação

is-a part-of


is-mapped-in

Dado de Sensoriamento Remoto

Geo-objeto

Cadastral

Plano de Informação

Rede

Banco de DadosGeográficos

Temático

Geo-campo

Numérico

is-a is-a

is-a

is-a

part-of

Não-espacial

part-of part-of

Banco de Dados Geográficos é composto por conjuntos de planos de informação,

um conjunto de geo-objetos e um conjunto de objetos não-espaciais

ExemploExemplo: : Modelo Modelo SPRINGSPRING


IdentidadeIdentidade de de ObjetosObjetos - Requisitos emergentes para SGBDG

• Mapas: recortes arbitrários no espaco

• Objetos: identidade única

– representações distintas

– ex: rios da China

– rio Amarelo

– rio Yang-tsé

– rio Azul


Acesso aos dadosAcesso aos dados - Requisitos emergentes para SGBDG

• Folheamento (“browsing”)

– pesquisa interativa

• Linguagem de consulta

– critérios de seleção

• Requer mecanismos de acesso espacial


Folheamento Folheamento - (“Browsing”)- (“Browsing”) -- Acesso aos dados Acesso aos dados

• Seleção baseada em apontamento

• Propriedades

– apresentar visão geral

dos dados

– permitir seleção de região

de interesse

• Desafios

– rapidez de resposta

– interatividade


ConsultasConsultas Espaciais Espaciais -- Acesso aos dados Acesso aos dados

• Mecanismos de seleção

– atributos descritivos

• “dê-me todos os países da AL

com mais de 50 milhões de hab. “

– restrições espaciais

• “dê-me todos os países da AL

vizinhos ao Equador”

– não-espacial + espacial

• “países com mais de 50 milhões

de hab. e vizinhos ao Equador”


Consulta: Consulta: RestriçõesRestrições Espaciais Espaciais -- Acesso aos dados Acesso aos dados

• Topológicas:

– adjacência, intersecção, contido, ...

INTERCEPTA, TOCA, CRUZA, DENTRO,SEPARADO, COBRE, COBERTO_POR

– matrix de 9

intersecções

• interior

• fronteira

• exterior

disjoint meet overlap contains

coversinsidecoveredByequal

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• Métricas:

– distância (NA_FAIXA, PERTO,LONGE)



• Direcionais:

– baseadas no retângulo envolvente

NOROESTE, NORTE, NORDESTE, ...



sem contexto com contexto

Acesso aos dadosAcesso aos dados:: consultas espaciais consultas espaciais

• Controle de apresentação

– combinação de resultados de consulta

– controle dos objetos apresentados

– apresentação do contexto espacial

• e.g. “vizinhos do Equador”


LinguagemLinguagem de de consulta consulta -- Acesso aos dados Acesso aos dados

• Extensão de SQL com operadores espaciais

– e.g. SELECT - FROM - WHERE

– OVERLAP, TOUCH, CROSS, IN, DISJOINT,COVERS, NEAR, NORTH, SOUTH, ...

– possível para exprimir consultas espaciais

– expressão pode ser complexa

• Linguagem de apresentação - não pode ser SQL


ProblemasProblemas de de otimização otimização de de consultaconsulta -- Acesso aos dados Acesso aos dados

• Métodos de acesso espacial (x convencional)

– capacidade de filtragem mais limitada

– custo computacional maior

• Otimizador

– entrada: consulta espacial

– saída: plano de implementação

• Requisitos

– semântica dos operadores

– estatísticas do banco


Exemplos de ConsultasExemplos de Consultas

• Qual a melhor estratégia?

– Seleção relacional ou espacial primeiro?

select road_name

from roads, regions

where regions_name = “ABC” and

intersects (region_location,road_location)

select all

from roads where intersects(road_location,box) and

road_name ≠ “MARGINAL TIETÊ”


MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial -- Acesso aos dados Acesso aos dados

• Estruturas de dados

– chaves multi-dimensionais

– pontos: árvores k-D

– linhas: árvores R, R+

– imagens: “quad-trees”

• SGBDG de grande porte

– métodos para memória secundária

– (árvores-VR)


K-d K-d TreeTree - - MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial

• Método de indexação de pontos

• Particionamento do espaço em duas partes

• Particionamento do espaço pára quando número

de pontos é menor do que o máximo

A

B

C

D

E

F

G H A B C D E F G H


R-R-treetree - - MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial

• Indexação através de retângulo envolvente (MBR)

• Árvore montada a partir de MBR dos objetos

A B

C

D

EF

GA B C D E F G


QuadtreesQuadtrees - - MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial

• Representar dados bi-dimensionais

• Particionamento do espaco em quadrantes

• Mais apropriado para imagens


transação

GerênciaGerência de de transaçõestransações - Requisitos emergentes para SGBDG

• “Transação longa”

– associada a uma sessão

• “Check-out” : extração de região de interesse

– controle de acesso

• “Check-in”

– substuituição de área extraída

ou

– geração de nova versão


• Transação longa: Problemas

– “check-out” pode bloquear grande parte do BD

– gerência de versões: implementação difícil

• Transações particionadas (“split transactions”)

– atualização contínua durante a sessão

– cada edição = uma transação

– reduz risco de perda de resultados

GerênciaGerência de de transaçõestransações - Requisitos emergentes para SGBDG


ControleControle de de integridade integridade

• Integridade lógica

– consistência semântica de dados

– uso de regras ECA (“evento-condição-ação”)

• Integridade física

– problemas de serializar operações gráficas

– uso de “shadowing”


BancosBancos de de dados dados multi- multi-nívelnível

• Ambiente distribuído

• Hierarquia de servidores de dados

Estação local(1~10 Gb)

Servidor (10~50 Gb)

“Back-end”(50Gb~1Tb)


Arquiteturas paraArquiteturas para SGBD SGBD geográficos geográficos

• Alternativas gerais

• Dual

– ARC/INFO, SPRING

• Camadas

– System 9, Oracle-SDO

• Integrada

– GEO++ (protótipo)


ArquiteturaArquitetura Dual Dual

• Atributos convencionais - SGBD relacional

• Imagens e gráficos - sistema de arquivos

• Vantagens

• uso de SGBD de mercado

• Problemas

• otimização de consulta

• integridade lógica/física

SGBD relacional

França

Arquivos


Ambiente dual


ArquiteturaArquitetura Dual Dual

• Vantagens

– Acesso externo aos atributos (via SQL)

– Conexão dados existentes

– Ferramentas de uso (Gerador de formulários)

• Problemas

– Controle dos objetos espaciais

• Fora do gerenciador de banco de dados

– Operação em esquema mono-usuário


LigaçãoLigação SIG - SIG - Banco dados Banco dados

id label area

22 Caraíbas 3.000

Fazendas

numcad

2345

SELECT idFROM fazendasWHERE area > 2500


LigaçãoLigação SIG - SIG - Banco dados Banco dados

id label area

22 Caraíbas 3.000

numcad ITR Producao.

2345 5000 4000

Fazendas

Cadastro

numcad

2345

SELECT idFROM fazendas, cadastroWHERE fazendas.numcad =

cadastro.numcadAND ITR > 4500


ArquiteturaArquitetura em em camadas camadas

• SGBD com “campos longos”

– registros binários (atéGBytes)

– extensões da tecnologiarelacional

• Exemplos

– SDE - ESRI

– SDO - ORACLE

– GeoMedia + ACCESS

SGBD relacionalcom campos longos

Françageometria

Camada de suporte espacial


ArquiteturaArquitetura em em camadas camadas

• Vantagens

– controle de integridade dos dados espaciais

– permite accesso e atualização multi-usuário

• Problemas

– complexidade de implantação e uso

– soluções proprietárias

– limitados a arquivos vetoriais


Ambientes DistribuídosAmbientes Distribuídos

• Componentes

✔clientes

✔servidores

✔ ITESP

✔Sede

✔Regionais

clientes

Ambiente corporativo

anuncio serviços

comunic servidores

servidores


Ambientes DistribuídosAmbientes Distribuídos

• Ambiente único-centralizado

– requer implantação de “arquitetura em camadas”

– problemas de gerenciamento

• Ambiente distribuído

– cada servidor produz seu conjunto de dados

– BD corporativo alimentado “off-line”

– problemas de duplicação de dados


SIG deSIG de Terceira Geração Terceira Geração:: Bancos Bancos de deDados EspaciaisDados Espaciais

• Desafios do Geoprocessamento

• Integração de Informação

• Grandes bases de dados Espaciais

• Iniciativas de Pesquisa

• EOS (Earth Observation System)

• Programa “Digital Library Technology” (NASA)

• CNPq - Projeto GEOTEC” - INPE, UNICAMP,IBM, UFPe, PUC/RJ, UFRJ, UFG, PETROBRÁS,EMBRAPA, TELEBRÁS


Evolução da GeotecnologiaEvolução da Geotecnologia

SIGIndividual

BD GeográficoInstitucional

Centro de DadosGlobal


Evolução da TecnologiaEvolução da Tecnologia:: Custo Custo

• Prefeitura

– 400.000 hab, 100.000 contribuintes, 1.000 km2 (80km2 área urbana)

• Custo 1990 2000

Levantam.Aéreo

1.000.000 200.000

Hard/Soft (5ass.)

300.000 50.000

Banco Dados 50.000 5.000

Pessoal 4 esp. 4 esp.

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