banco de dados em -...

BANCO DE DADOS EM

SISTEMAS DE

INFORMAÇÕES

GEOGRÁFICAS

Modelagem espacial e PostGIS

- Paulo Henrique Pisani

- Rosanne da Silva Vieira 20111

Apresentação

Introdução

GIS: Definições, Funções, Componentes, Dados

Espaciais, Breve histórico, Arquitetura

Modelagem Conceitual em GIS: OMT-G

SGBDs Espaciais

PostGIS

Conclusão e Trabalhos Futuros

2

INTRODUÇÃO

Sistemas de informação geográfica (SIG)

3

Introdução

Dados espaciais são onipresentes atualmente:

◦ Serviços Web (e.g. GoogleMaps);

◦ Dispositivos móveis (e.g. GPS).

EOS (Earth Observing System) da NASA

(National Aeronautics and Space Administration)

◦ gera 1 terabyte/dia.

4

Introdução

Sistemas de informação geográfica

(SIG/GIS)

◦ Sistema = conjunto de elementos com

relação (entrada, processamento, saída);

◦ Informação = dados que descrevem um

domínio.

Sistemas utilizados para coletar, modelar,

armazenar e analisar informações

geográficas ou relacionadas à geografia;

5

Introdução

Principais características:

Inserir e integrar dados espaciais em umaúnica base de dados;

dados censitários;

informações espaciais;

imagens de satélite;

GPS.

6

Introdução

Oferecer mecanismos para combinar as várias

informações;

Possuir ferramental para realizar analises,

oferecendo alternativas para o entendimento

ocupação

utilização do meio físico

7

Introdução

Importância do SIG

Facilidade para trabalhar com grande quantidade de

informação;

Tempo de resposta em tempo real no apoio à decisão;

Maior facilidade para gestão e armazenamento de dados

geográficos;

Rapidez com que a informação pode ser atualizada.

8

Introdução

Aplicações SIG

Aplicações de SIG

Cartográficas Aplicação de Modelagem Aplicações de

Digitalizada de Terra Objetos Geográficos

Adaptado de [Elmasri & Navathe, 2005]

9

Introdução

Aplicações SIG

◦ Cartográficas

Irrigação;

Análise de produção de safras;

Avaliação da terra;

Gerência de facilidades e planejamento;

Estudos sobre paisagem;

Análise do padrão de tráfego.

10

Introdução

Aplicações SIG

◦ Aplicações de Modelagem Digitalizada

de Terra

Estudos sobre recursos da ciência terrestre;

Avaliação para Engenharia civil e militar;

Levantamento sobre o solo;

Estudos sobre a poluição do ar e da água;

Controle de enchentes;

Gerenciamento de recursos hídricos.

11

Introdução

Aplicações SIG

Cartográficas e Aplicações de Modelagem Digitalizada

de Terra:

Capturados por características:

Solo;

Densidade;

Qualidade do ar.

12

Introdução

Aplicações SIG

◦ Aplicações de Objetos Geográficos

Sistema para veículos de navegação;

Análise do mercado geográfico;

Distribuição e consumo de utilidades;

Produtos e serviços de consumo:

análise econômica.

13

Introdução

Aplicações SIG

Aplicações de Objetos Geográficos

Identificados por domínios físicos:

Usina elétrica;

Distritos eleitorais;

Lotes de propriedades;

Pontos de referencias em cidades.

14

DEFINIÇÕES

Definições para SIG

15

Definições de SIG

Aronoff (1989), conjunto de procedimentos usadospara armazenar e manipular dados geo-referenciados;

Burrough (1986), conjunto de ferramentas paracoletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizardados;

Cowen (1998), sistema de suporte à decisão que faza junção de dados em um ambiente de respostas aproblemas;

16

Definições de SIG

Smithet et al. (1987), banco de dados indexados

espacialmente, onde opera um conjunto de

procedimentos com respostas a consultas sobre

entidades;

Silva (2010), os SIGs usam o meio digital, onde são

armazenados os dados geo-referenciados e com

controle de erro. Contêm funções de análise destes

dados que variam de álgebra cumulativa até a não

cumulativa.

17

FUNÇÕES

Funções do SIG

18

Funções

Funções do SIG

Função de “input”; Aquisição de dados

Função de validação e edição;

Função de estruturação e armazenamento de

informação;

19

Funções

Função de análise; Inquirição / seleção

Análise de vizinhança

Análise de superfície

Análise de redes

“Overlay” (sobreposição)

Função de “output” Saídas gráficas

20

Funções

Deve ser aberto, flexível e estar capacitado a se

relacionar com outros sistemas;

Manter-se estável, com o mínimo custo quando em

operação;

◦ Na fase de criação, demanda muito trabalho, devido ao

tratamento e centralização das informações;

Viabilizar a tomada de decisão, documentar a ação e a

intervenção, como resultado desta atitude.

21

COMPONENTES

Componentes do SIG

22

Componentes

Hardware: equipamentos para coletar, armazenar, processar e representar os

dados.

Software: para manipular dados e diversas informações desejadas.

Dados/Informação: a partir da realidade para armazenados em sistemas de

informação.

Pessoas: administradores.

Métodos: para o uso do sistema de informação.

23

Componentes

Relacionamento hierárquico

Relacionamento dos componentes de um GIS - Adaptado de [Camara, 1994]

24

Componentes

Nível mais próximo ao usuário, o sistema é operado e

controlado:

Interface homem com máquina.

Nível intermediário, deve ter mecanismos de

processamento de dados espaciais:

Entrada e integração, consulta e análise, visualização plotagem.

Nível mais interno, armazenamento e recuperação dos

dados espaciais e seus atributos:

SGBD Espacial.

25

DADOS ESPACIAIS

Definições e tipos de dados espaciais

26

Dados espaciais

São elementos definidos por variáveis;

Possuem localização no espaço;

Estão relacionados a sistemas de coordenadas;

Exemplo: Projeção de Mercator:

Atributos: tipo de rocha, solo, temperatura, vegetação, etc.

27

Dados espaciais

Fenômenos do mundo real:

Espacial - ocorre a variação de lugar para lugar:

declividade, altitude e profundidade do solo.

Temporal - acontece com a variação do tempo:

densidade demográfica e a ocupação do solo.

Temática - incide variações nas mudanças de

características.

28

Dados espaciais

Fenômenos são arquivados como:

◦ Dados:

Conjunto de valores numéricos.

◦ Informação:

Conjunto de dados, com determinada aplicação.

29

Dados espaciais

O SIG lida com informações geo-referenciada que

podem ser divididas em:

Entidades geográficas;

Atributos.

30

Dados espaciais

Divisão de informações geo-referenciadas [Pinto, 2009]

31

Dados espaciais

Informação geográfica

é organizada em

camadas ou níveis de

informação,

consistindo cada uma

em um conjunto

selecionado de

objetos associados e

respectivos atributos.

Camadas dados espaciais [Pinto, 2009]

32

Dados espaciais

O mundo real pode

ser representado em

forma de:

Raster/Imagem;

Vetores.

Dados espaciais [Pinto, 2009]

33

Dados espaciais

Modelo Vetorial:

– Pontos;

– Linhas;

– Polígonos.

Modelo Raster:

São constituídas por

números, cada um deles

com uma entidade.

Modelos dados espaciais [Pinto, 2009]

34

Dados espaciais

Análise espacial

◦ Construção da base de dados e sua geo-codificação

Resolve problemas de análise espacial, tais como:

Cruzar dois ou mais níveis de polígonos, para gerar uma

combinação entre eles;

Calcular o caminho mais curto entre dois pontos;

Calcular área e/ou volume de superfícies;

Permitir visualização das entidades a partir de consultas ao

banco de dados que armazenam os atributos.

35

Dados espaciais

Modelo Vetorial Modelo Raster

Estrutura Complexa Simples

Topologia Melhor definição Fraca

Saídas Gráficas Com qualidade Baixa qualidade

Manipulação

de dados

Fácil Difícil

Visualização Rápida Lenta

Comparação dos modelos, adaptado de [Pinto, 2009]

36

BREVE HISTÓRICO

Evolução do SIG

37

Breve Histórico

A evolução do SIG é dividida em quatro fases:

Primeira Fase - década de 60 e de 70

Desenvolveu-se o primeiro sistema:

SIG Canadense: capacidade de armazenar e recuperar dados,

reclassificar os atributos, mudar a escala de representação e

fornecer relatórios.

Há poucos dados em máquina e são ações individuais,

com contribuições de diversas personalidades;

38

Breve Histórico

Primeira Fase - década de 60 e de 70

(continuação)

Desenvolvimento voltado para o planejamento e

modelagem de situações relacionados com o meio

urbano:

◦ aparecimento das imagens de sensoriamento remoto;

◦ produtos derivados do processamento digital de imagens de satélites.

39

Breve Histórico

Segunda Fase - década de 80

Forte financiamento do estado e diminuição do protagonismo individual;

Caracterizada pela realização de várias experiências;

Ligação em rede dos periféricos e aplicativos, fez o SIG ter uma poderosa capacitação de produção gráfica, processamento de atributos e análise espaciais.

40

Breve Histórico

Terceira fase - final dos anos 80

Forte esforço por parte do setor privado e desenvolvimento de bases de dados geográficas em grande escala;

Atividade comercial;

Começaram as operações em 3D, e surgiram as impressoras de alta resolução.

41

Breve Histórico

Quarta Fase - atualmente

Dados centralizados, acessíveis através de redes de

telecomunicações;

Preocupação centralizada nos utilizadores.

42

ARQUITETURA

Arquitetura do SIG

43

Arquitetura de um SIG

Arquitetura– Adaptado de [Camara, 1994]

44


Interface gráfica com o usuário:

◦ Visualização de mapas e atributos associados

ao terreno;

◦ Manipulação dos dados:

com consultas e atualizações.

45


Entrada e Integração de dados

◦ Mapas obtidos através de técnicas de

sensoriamento remoto:

Técnica que registra características sem contato

entre os sensores e os objetos do terreno:

sensores em satélites;

fotografias aéreas.

46


Funções de processamento

◦ Análise geo-espacial;

◦ Processamento digital e de imagens;

◦ Modelagem numérica do terreno;

◦ Operações sobre redes.

47


Visualização e plotagem:

◦ Componente responsável por apresentações

gráficas.

Armazenamento e recuperação:

◦ Definição, armazenamento e manipulação de

dados geográficos.

48


Arquitetura Dual – os atributos convencionaissão armazenados em forma de tabela e umsistema separado arquiva e armazena os dadosespaciais.

Arquitetura Dual – Adaptado de [Camara, 1994]

49


Arquitetura baseada em Campos Longos –

armazena a representação geométrica dos

objetos geográficos;

Arquitetura baseada em mecanismos de

expansão - baseada em sistemas gerenciadores

de banco de dados extensíveis.

50

MODELAGEM

CONCEITUAL EM GIS:

Modelo OMT-G

51

Modelagem Conceitual em GIS:

Modelo OMT-G

Modelos de dados são classificados de acordo

com o nível de abstração empregado.

Para aplicações geográficas, são considerados

quatro níveis distintos de abstração:

Níveis de abstração [Borges et al., 2001]

52


Modelo OMT-G

Nível mundo real:

◦ fenômenos geográficos reais:

rios, ruas, cobertura vegetal, etc.

Nível representação conceitual:

◦ definidas as classes básicas, contínuas e

discretas.

53


Modelo OMT-G

Nível de apresentação:

◦ oferece ferramentas, para especificar diferentes aspectos visuais que as entidades devem assumir.

Nivel de implementação:

◦ define padrões, forma de armazenamento e estrutura de dados para implementar:

relacionamentos, funções e métodos.

54


Modelo OMT-G

Prevê primitivas para modelar a geometria e a

topologia dos dados geográficos, oferecendo:

◦ Estruturas topológicas “toda - parte”;

◦ Estruturas de rede;

◦ Múltiplas representações de objetos;

◦ Relacionamentos espaciais.

55


Modelo OMT-G

Permite a especificação de atributos alfanuméricos e métodos associados para cada classe;

Os principais pontos do modelo:◦ expressividade gráfica;

◦ capacidade de codificação.

As anotações textuais são substituídas pelo desenho de relacionamentos explícitos, denotando a dinâmica da interação entre os diversos objetos espaciais e não espaciais.

56


Modelo OMT-G

O modelo OMT-G é baseado em três conceitos

principais:

◦ Classes;

◦ Relacionamentos;

◦ Restrições de integridade espaciais.

Classes e relacionamentos definem as primitivas básicas

usadas para criar esquemas estáticos de aplicação.

57


Modelo OMT-G

Propõe o uso de três diagramas diferentes

nos processos de desenvolvimento de uma

aplicação geográfica:

Diagrama de classes;

Diagrama de transformação;

Diagrama de apresentação.

58


Modelo OMT-G Diagrama de Classe

◦ Usado para descrever a estrutura e o conteúdo de

um banco de dados geográfico;

◦ Contém elementos específicos da estrutura de um

banco de dados:

classes de objetos;

relacionamentos.

◦ Contém regras e descrições que definem a estrutura

dos dados.

59


Modelo OMT-G

Diagrama de Classes

◦ Classe

◦ Representam três grandes grupos de dados:

Contínuos;

Discretos;

Não-espaciais.

60


Modelo OMT-G

◦ As classes podem ser:

Geo-referenciadas:

conjunto de objetos que possuem representação espacial e

estão associados a regiões da superfície da terra,

representando a visão de campos e de objetos.

Convencionais:

conjunto de objetos com propriedades, comportamento,

relacionamentos, e semântica semelhantes, e que possuem

alguma relação com os objetos espaciais, mas que não possuem

propriedades geométricas.

61


Modelo OMT-G

Classes convencionais são simbolizadas exatamente

como na UML;

Classes georreferenciadas são simbolizadas no modelo

OMT-G de forma semelhante:

◦ no canto superior esquerdo – retângulo usado para indicar a

forma geométrica da representação.

Métodos ou operações são especificados na seção

inferior do retângulo.

62


Modelo OMT-G

Classe geo-referenciadas e convencionais [Borges, 2005]

Nome da Classe

Atributos

Operações

Nome da Classe

Atributos

Operações

Nome da Classe

Nome da Classe

Classe

Georreferenciada

Classe Convencional

(a)

Representação

completa

(b)

Representação

simplificada

63


Modelo OMT-G

Exemplo de representação de forma geométrica

Representação de forma geométrica [Borges, 2005]

64


Modelo OMT-G

Diagrama de classes◦ Relacionamento

◦ O modelo OMT-G representa três tipos de relacionamentos entre suas classes: Associações simples;

Relacionamentos topológicos em rede;

Relacionamentos espaciais.

A discriminação dos relacionamentos ◦ definir explicitamente o tipo de interação que ocorre entre as

classes.

65


Modelo OMT-G

Associações simples:

◦ relacionamentos estruturais entre objetos de classes

diferentes, convencionais ou georreferenciadas.

Relacionamentos topológicos em rede:

◦ permitem que o sistema armazene e mantenha

atualizada informações.

Relacionamentos espaciais:

◦ relações topológicas, métricas e de ordem.

66


Modelo OMT-G

Relacionamentos [Borges, 2005]

EdificaçãoPertence a

Proprietário

(a) Associação Simples

EdificaçãoContém

(b) Relacionamento Espacial

Lote

Segmento de

Logradouro Rede Viária

(c) Relacionamento de Rede Arco-Nó

Cruzamento Rodovia

(d) Relacionamento de Rede Arco-Arco

Malha Rodoviária

67


Modelo OMT-G

Diagrama de Classes

◦ Cardinalidade

◦ Representa o número de instâncias de uma

classe que podem estar associadas a

instâncias da outra classe;

◦ A notação adotada pelo modelo OMT-G é a mesma

usada na UML.

68


Modelo OMT-G

Cardinalidade [Borges, 2005]

Nome da Classe

Zero ou Mais

0..*

Nome da Classe

Um ou Mais

1..*

Nome da Classe

Exatamente Um

1

Nome da Classe

Zero ou Um

0..1

69


Modelo OMT-G

Diagrama de Classes:

◦ Generalização e Especialização;

◦ Generalização - processo de definição de

superclasses a partir de subclasses;

◦ Especialização - classes mais específicas são

detalhadas a partir de genéricas.

70


Modelo OMT-G

Generalização/Especialização - Fonte Borges, 2005

Propriedade

Tipo de

Propriedade

Propriedade

Territorial

Propriedade

predial

Lote

Ocupação

Lote Edificado Lote Vago

Notação UML Generalização espacial

Um triângulo conecta a superclasse a suas subclasses

71


Modelo OMT-G

Uma generalização pode ser especificada:

Total: um ponto é colocado no ápice do triângulo, denotando a

totalidade;

Parcial.

Também adota a notação para os elementos de

restrição predefinidos como disjunto e sobreposto:

generalização disjunta o triângulo é em branco;

generalização sobreposta o triângulo é preenchido.

72


Modelo OMT-G

Diagrama de Classes

◦ Agregação

◦ Associação entre objetos, onde se considera

que um deles é formado a partir de outros;

◦ A agregação espacial é um caso especial, na

qual são explicitados relacionamentos

topológicos “todo-parte”.

73


Modelo OMT-G

Agregação – Fonte - Borges 2005

Trecho

Logradouro

Agregação pode ocorrer entre:• Classes convencionais, entre classes Modelo de

dados georreferenciadas ou entre uma classe

convencional e uma classe geo-referenciada.

74


Modelo OMT-G

A notação para agregação espacial Mostra que as quadras são geometricamente

equivalentes à união dos lotes contidos nelas.

LoteQuadra

Agregação Espacial– Fonte - Borges 2005

75


Modelo OMT-G

Diagrama de Classes

◦ Generalização Conceitual

◦ Série de transformações que são realizadas

sobre a representação da informação espacial;

◦ Objetivo: melhorar a legibilidade e aumentar a

facilidade de compreensão dos dados por

parte do usuário do mapa.

76


Modelo OMT-G

Diagrama de Classe:

◦ Restrições de integridades;

◦ Existem diversas restrições de integridade

que são implícitas às primitivas do modelo ou

que podem ser deduzidas a partir da análise

dos diagramas.

77


Modelo OMT-G

A identificação de restrições de integridade espacial é importante no projeto para uma aplicação;

As principais restrições de integridade, são:

Chave;

Restrições de domínio;

Integridade topológica;

Integridade semântica;

Integridade definida pelo usuário.

78

Restrições de integridade topológica:

◦ regras para geo-campos, relacionamentos espaciais e em rede, agregação espacial;

Restrições de integridade semântica:

◦ regras associadas a relacionamentos espaciais;

Restrições de integridade definidas pelo usuário:

◦ modeladas como métodos associados a cada classe.


Modelo OMT-G

79


Modelo OMT-G

Diagrama de transformação

◦ Usado para especificar transformações entre classes;

◦ Está no nível conceitual de representação;

◦ São baseados nas primitivas de classe, conforme definidas para os diagramas de classes.

80


Modelo OMT-G

As classes que estão envolvidas em algum tipo

de transformação são conectadas: Por meio de linhas contínuas, com setas que indicam a direção

da transformação.;

Os operadores de transformação e seus parâmetros, são

indicados por meio de texto sobre a linha que indica a

transformação.

EdificaçãoPertence a

Proprietário

Relacionamentos [Borges, 2005]

81


Modelo OMT-G

Diagrama de apresentação

◦ Estão reunidos os requisitos definidos pelo

usuário quanto às alternativas de

apresentação e saída para cada objeto

geográfico.

82


Modelo OMT-G

A seção superior indica o nome da classe, o nome da apresentação e a aplicação:◦ Nessa seção pode-se especificar uma faixa de escalas

onde a apresentação será usada.

A segunda é dividida em duas partes:◦ À esquerda, indica o aspecto visual dos objetos após a

transformação;

◦ À direita, especificações mais precisas quanto aos atributos gráficos: cor da linha, tipo e espessura de linha, padrão de

preenchimento, cor de preenchimento, e nome do símbolo.

83


Modelo OMT-G

84

Diagrama de apresentação [Borges, 2005]

SGBDS ESPACIAIS

Conceitos básicos, Padronização e PostGIS

85

Armazenamento de Dados Espaciais

Duas opções:

◦ Mecanismos próprios do GIS (primeiros GIS)

Problemas:

Dependência de dados;

Segurança de dados;

Controle de concorrência.

◦ SGBDs Espaciais (SDBMS – Spatial Database

Management System).

86

SGBD Espacial

Objetivos:

◦ Integrar a representação e manipulação dos

dados geométricos com dados não

geométricos no nível lógico;

◦ Armazenar e processar estes dados

eficientemente no nível físico.

87

SGBD Espacial

Requisitos:

◦ Representação lógica estendida para suportar

dados geométricos;

◦ Suporte a funções para dados geométricos na

DML;

◦ Representação física e acesso eficiente aos

dados espaciais.

R-Tree, GiST

88

SGBD Espacial

Extensões espaciais para os SGBDs;

Exemplos:

◦ PostGIS;

◦ Oracle Spatial;

◦ IBM BD2 Spatial;

◦ SQL Server Spatial.

89

PostgreSQL

SGBD Objeto-relacional (ORDBMS -

Object-relational Database Management

System).

Baseado no Postgres (Universidade da

Califórnia em Berkeley);

◦ Baseado no Ingres (um dos primeiros

SGBDS).

Disponível em (versão atual: 9.0.4):

<http://www.postgresql.org/>

90

PostGIS

Tanto o PostgreSQL quanto o PostGIS são softwares de código-fonte aberto;

Pacote que estende o PostgreSQL para suportar:◦ Objetos geográficos;

◦ Operações geográficas: Validação de dados;

Transformação de coordenadas;

Cálculo de distâncias;

Etc.

Disponível em (versão atual 1.5.2): <http://postgis.refractions.net/>

91

Padronização

PostGIS atende a padrões internacionais

◦ OGC (Open GIS Consortium);

◦ ISO/IEC 13249 SQL/MM:

Derivada da OpenGIS Simple Features

Specifications for SQL;

Funções para dados geográficos:

Converter;

Comparar;

Processar.

◦ Maior portabilidade de aplicações.

92

Sistema de Referência Espacial

SRS (Spatial Reference System)

◦ Define:

Como os dados geográficos são representados no mapa;

Unidade de medida (e.g. graus, metros) utilizada pelo sistema de coordenadas.

◦ Identificação por: SRS ID (SRS Identifier)

◦ Exemplo: EPSG:4326 (European PetroleumSurvey Group)

WGS 84: utilizado por diversas aplicações GIS (e.g. GPS).

93

Sistemas de Referência Espacial

PostGIS:

◦ Utiliza SRID (Spatial Reference Identifier),

similar ao SRS ID;

◦ A instalação básica inclui cerca de 3000 SRSs;

◦ Aspecto importante sobre sistemas espaciais:

Par ordenado (longitude; latitude) e não (latitude;

longitude).

94

POSTGIS

Objetos Espaciais, Funções básicas, Relacionamento entre Dados Geométricos, Junções Espaciais e Metadados

95

Ambiente

Máquina Virtual com:

◦ MS Windows Server 2003;

◦ PostgreSQL 9.0.4;

◦ PostGIS 1.5.2 (instalado após o PostgreSQL).

96

Objetos EspaciaisOpenGIS Simple Features

Specification 2010

Objetos geométricos oferecidos pelo PostGIS [OGS 2010]97

Objetos EspaciaisObjeto base: geometry

PostgreSQL possui o tipo geometry,

que é diferente do tipo geometry do

PostGIS:

Tipo geometry do PostgreSQL não

segue os padrões do OGC

Objetos geométricos oferecidos pelo PostGIS [OGS 2010]98

Objetos Espaciais

Tipos básicos definidos pelo PostGIS:

◦ POINT: define um ponto;

◦ LINESTRING: conjunto de dois ou mais

pontos;

◦ POLYGON: define um polígono.

99

Objetos Espaciais

CREATE TABLE tabela_teste (cod serial

NOT NULL PRIMARY KEY);

SELECT AddGeometryColumn('public',

'tabela_teste', 'teste_point', 4326,

'POINT', 2);

SELECT AddGeometryColumn ('public',

'tabela_teste', 'teste_linestring',

4326, 'LINESTRING', 2);

SELECT AddGeometryColumn('public',

'tabela_teste', 'teste_polygon',

4326,'POLYGON', 2);

100

Objetos Espaciais

INSERT INTO tabela_teste (teste_point,

teste_linestring, teste_polygon)

VALUES

(ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326),

ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1,

1 2)', 4326),

ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1

1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25 0.75,

0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25 0.25))',

4326));

101

Objetos Espaciais

INSERT INTO tabela_teste (teste_point,

teste_linestring, teste_polygon)

VALUES

(ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326),

ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1,

1 2)', 4326),

ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1

1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25 0.75,

0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25 0.25))',

4326));

102

Objetos Espaciais

Representação:

◦ WKT (Well-known Text)

Função: ST_GeomFromText(<wkt>, <srid>)

Exemplo: ST_GeomFromText(‘POINT(-77.036548 38.895108)’, 4326)

◦ WKB (Well-known Binary)

Função: ST_GeomFromWKB(<wkb>, <srid>)

Exemplo: ST_GeomFromWKB(‘0101000020E6100000F

D2E6CCD564253C0A93121E692724340’,

4326);

103

Objetos Espaciais

Coleções de geometrias:

◦ MULTIPOINTS;

◦ MULTILINESTRINGS;

◦ MULTIPOLYGONS;

Além destes, há suporte a todos os

objetos dos OpenGIS Simple Features

Specification;

Dados 3D: suporte limitado.

104

Funções do PostGIS

Podem ser agrupadas em:◦ Construtores;

◦ Exportação;

◦ Acesso e modificação de propriedades dos objetos espaciais;

◦ Decomposição;

◦ Composição;

◦ Medição;

◦ Simplificação;

Além destes grupos, é importante destacar as funções de relacionamento entre dados geométricos.

105


Construtores

◦ Criam dados espaciais a partir de WKTs e

WKBs;

◦ Exemplos:

ST_GeomFromText(<wkt>, <srid>)

ST_GeomFromWKB(<wkb>, <srid>)

106


Exportação

◦ Utilizadas para exportar os dados

armazenados para diversos formatos: WKT,

WKB, GeoJSON (Geometry JavaScript

Notation), GML e SVG (Scalable Vector

Graphics);

◦ Exemplo:

Próximos slides

107


Exportação

◦ KML (Keyhole Markup Language)

Formato baseado em XML;

Ganhou popularidade após ter sido incorporado

pelo Google:

Google Maps;

Google Earth.

Formato reconhecido pelo OGC;

ST_AsKML

108


ST_AsKML(ST_GeomFromText('POINT(0 0)',

4326));

<Point>

<coordinates>0,0</coordinates>

</Point>

109


select

ST_AsKML(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0,

0 1, 1 1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25

0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25

0.25))', 4326));

110


<Polygon>

<outerBoundaryIs>

<LinearRing>

<coordinates>0,0 0,1 1,1

1,0 0,0</coordinates>

</LinearRing>

</outerBoundaryIs>

<innerBoundaryIs>

<LinearRing>

<coordinates>0.25,0.25

0.25,0.75 0.75,0.75

0.75,0.25 0.25,0.25

</coordinates>

</LinearRing>

</innerBoundaryIs>

</Polygon>111


Exportação

◦ GML (Geography Markup Language)

Formato baseado em XML;

Padrão de transporte do OGC;

Geralmente utilizado por WFSs (Web Features

Services).

ST_AsGML

112


select ST_AsGML(ST_GeomFromText('POINT(0

0)', 4326));

<gml:Point srsName="EPSG:4326">

<gml:coordinates>0,0</gml:coordinates>

</gml:Point>

113


select

ST_AsGML(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0,

0 1, 1 1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25

0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25

0.25))', 4326));

114


<gml:Polygon srsName="EPSG:4326">

<gml:outerBoundaryIs>

<gml:LinearRing>

<gml:coordinates>0,0 0,1 1,1

1,0 0,0</gml:coordinates>

</gml:LinearRing>

</gml:outerBoundaryIs>

<gml:innerBoundaryIs>

<gml:LinearRing>

<gml:coordinates>0.25,0.25

0.25,0.75 0.75,0.75 0.75,0.25

0.25,0.25</gml:coordinates>

</gml:LinearRing>

</gml:innerBoundaryIs>

</gml:Polygon>115


Exportação

◦ GeoJSON (Geometry JavaScript Object

Notation)

Formato baseado no JSON;

Utilizado por aplicações Ajax (compatível com

JavaScript);

ST_AsGeoJSON

116


select

ST_AsGeoJSON(ST_GeomFromText('POINT(0

0)', 4326))

"{"type":"Point","coordinates":[0,0]}"

117


{"type":"Polygon","coordinates":[[[0,0],[0,

1],[1,1],[1,0],[0,0]],[[0.25,0.25],[0.25,0.

75],[0.75,0.75],[0.75,0.25],[0.25,0.25]]]}

select

ST_AsGeoJSON(ST_GeomFromText('POLYGON((

0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25,

0.25 0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25

0.25))', 4326));

118


Acesso e modificação de propriedades

dos objetos espaciais:

◦ ST_GeometryType;

◦ GeometryType.

119


select GeometryType(geom), ST_GeometryType(geom)

from (VALUES(ST_GeomFromText('POINT(0 0)',

4326))) As temp(geom)

select GeometryType(geom), ST_GeometryType(geom)

from (VALUES(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1,

1 1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25 0.75, 0.75 0.75,

0.75 0.25, 0.25 0.25))', 4326))) As temp(geom)

geometrytype st_geometrytype

POINT ST_Point

geometrytype st_geometrytype

POLYGON ST_Polygon120


Composição

◦ Juntam dados espaciais para formar outro dado espacial.

Decomposição

◦ Extraem dados espaciais a partir de um único dado espacial.

Exemplo: ST_X

ST_Y

ST_Centroid

121


select ST_X(ST_GeomFromText('POINT(12 34)',

4326)), ST_Y(ST_GeomFromText('POINT(12 34)',

4326));

select

ST_AsText(ST_Centroid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0,

0 1, 1 1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25 0.75, 0.75

0.75, 0.75 0.25, 0.25 0.25))', 4326))) as centroid;

st_x st_y

12 34

centroid

POINT(0.5 0.5)

122


Medição

◦ Operações de medição escalar de dados

espaciais (e.g. medir a distância entre dois

pontos);

◦ Exemplo:

ST_Length (comprimento 2D)

ST_Length3D (comprimento 3D)

ST_Area (área)

123


SELECT

ST_Length(ST_GeomFromText('LINESTRING(

0 0, 1 1)')) as Comprimento2D,

ST_Length3D(ST_GeomFromText('LINESTRIN

G(0 0 0, 1 1 1)')) as Comprimento3D;

Comprimento2D Comprimento3D

1.4142135623731 1.73205080756888

124


SELECT

ST_Area(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0,

0 1, 1 1, 1 0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25

0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25

0.25))', 4326));

ST_Area

0.75

125


Medição: outras funções

◦ ST_Distance (distância em linha reta)

Linha reta no plano cartesiano.

◦ ST_Distance_Sphere (distância esférica)

Considera que o planeta Terra tem a forma esférica e raio igual a 6.370.986m.

◦ ST_Distance_Spheroid

Considera que o planeta não é uma esfera perfeita.

◦ A escolha é feita pelo Projetista de acordo com os requisitos da aplicação em questão.

126


Simplificação

◦ Diminui a resolução de um dado geométricos

(remove pontos e arredonda coordenadas);

◦ Otimiza o processamento quando não é

necessário utilizar o dado espacial em

resolução total;

◦ Exemplos:

ST_SnapToGrid

ST_SimplifyPreserveTopology

127

Relacionamento entre Dados

Geométricos Funções que consideram mais de um

dado geométrico

◦ Podem retornar “t”, “f” ou outro dado

geométrico.

Exemplos:

◦ ST_Contains/ST_Within

◦ ST_Intersects/ST_Disjoint

◦ ST_Intersection

128


Geométricos

select ST_Contains(

ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1

0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25 0.75, 0.75 0.75,

0.75 0.25, 0.25 0.25))', 4326),

ST_GeomFromText('POLYGON((0.25 0.25, 0.25

0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25 0.25))',

4326)

);

st_contains

f129


Geométricos

select ST_Contains(


0, 0 0))', 4326),

ST_GeomFromText('POLYGON((0.25 0.25, 0.25

0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25, 0.25 0.25))',

4326)

);

st_contains

t130


Geométricos

select ST_Intersects(


0, 0 0), (0.25 0.25, 0.25 0.75, 0.75 0.75,

0.75 0.25, 0.25 0.25))', 4326),

ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 0.5, 0.5

0.5, 0.5 0, 0 0))', 4326)

);

st_intersects

t131


Geométricos

select ST_AsText(ST_Intersection(

ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0

0), (0.25 0.25, 0.25 0.75, 0.75 0.75, 0.75 0.25,

0.25 0.25))', 4326),

ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 0.5, 0.5 0.5,

0.5 0, 0 0))', 4326)

)) as intersection;

intersection

"POLYGON((0 0,0 0.5,0.25 0.5,0.25 0.25,0.5 0.25,0.5 0,0 0))"132

Junção com Funções Geométricas

Operações JOIN utilizando funções

geométricas;

Pode haver combinação de dados

geométricos com dados não-geométricos.

Exemplo 1:

◦ A empresa AlienZ deseja saber o volume de

vendas do disco voador Z11 na área SP.

133


Tabela areas:

CREATE TABLE vendas (cod serial PRIMARY KEY,

produto varchar, qtd int);

SELECT AddGeometryColumn('public', 'vendas',

'local', -1, 'POINT', 2);

CREATE TABLE areas (nome varchar PRIMARY KEY);

SELECT AddGeometryColumn('public', 'areas',

'area', -1, 'POLYGON', 2);

Tabela vendas:

134


Dados da tabela areas

nome area

RT POLYGON((0 0, 0 2, 4 2, 4 0, 0 0))

SP POLYGON((0 1, 1 2, 2 2, 3 1, 4 1, 3 0, 2 0, 1 1, 0 1))

y

x(0,0)

1

2 3

y

x(0,0)

1

2 3

135


Dados da tabela vendas

cod produto qtd local

1 Z11 1 POINT(0.75 0.75)

2 Z11 2 POINT(1.5 1.5)

3 Z11 10 POINT(1.5 1.75)

4 Z11 1 POINT(1.5 0.75)

5 Z11 1 POINT(2.5 1.25)

6 Z11 2 POINT(2.5 0.25)

7 Z11 1 POINT(2.5 0.5)

8 Z11 1 POINT(2.5 0.75)

9 Z11 1 POINT(0.25 0.75)

10 Z11 5 POINT(3.5 1.5)

y

x

1

(0,0)

136


Consulta:

volume_vendas

18

select sum(qtd) as volume_vendas from

vendas JOIN areas

ON ST_Contains(areas.area, vendas.local)

where areas.nome = 'SP'

137


Consulta:

select sum(qtd) as volume_vendas from

vendas JOIN areas

ON ST_Contains(areas.area, vendas.local)

where areas.nome = 'SP'

JOIN utilizando a função ST_Contains do PostGIS

Somente a área „SP‟

Função agregada SUM

138


cod produto qtd local

1 Z11 1 POINT(0.75 0.75)

2 Z11 2 POINT(1.5 1.5)

3 Z11 10 POINT(1.5 1.75)

4 Z11 1 POINT(1.5 0.75)

5 Z11 1 POINT(2.5 1.25)

6 Z11 2 POINT(2.5 0.25)

7 Z11 1 POINT(2.5 0.5)

8 Z11 1 POINT(2.5 0.75)

9 Z11 1 POINT(0.25 0.75)

10 Z11 5 POINT(3.5 1.5)

y

x

1

(0,0)

Registros utilizados

para a soma

139


Exemplo 2:

◦ Algum tempo depois, a empresa AlienZ

precisa saber o volume de vendas do disco

voador Z11 por sub-área em SP (dividindo a

área total em sub-áreas, conforme mostrado

abaixo).

y

x

1

(0,0)140


Geração de retângulos

◦ ST_MakeBox2D(<ponto1>, <ponto2>)

<Ponto1>

<Ponto2>

141


Geração de retângulos

select

St_AsText(CAST(ST_MakeBox2d(ST_Point(0, 0),

ST_Point(1, 2)) As geometry));

POLYGON((0 0,0 2,1 2,1 0,0 0))

142


Geração de sequências (PostgreSQL)

◦ Função:

generate_series(<início>, <limite>, <passo>)

◦ Exemplo:

select generate_series(0,8,2);

generate_series

0

2

4

6

8143


Geração do conjunto de retângulos:

SELECT x || ' ' || y as nome_retangulo,

ST_AsText(CAST(

ST_MakeBox2d(

ST_Point(0 + x, 0 + y),

ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1))

as geometry)) as area_retangulo FROM

generate_series(0, 3, 1) as x

CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y;

144



nome_retangulo area_retangulo

0 0 POLYGON((0 0,0 1,1 1,1 0,0 0))

0 1 POLYGON((0 1,0 2,1 2,1 1,0 1))

1 0 POLYGON((1 0,1 1,2 1,2 0,1 0))

1 1 POLYGON((1 1,1 2,2 2,2 1,1 1))

2 0 POLYGON((2 0,2 1,3 1,3 0,2 0))

2 1 POLYGON((2 1,2 2,3 2,3 1,2 1))

3 0 POLYGON((3 0,3 1,4 1,4 0,3 0))

3 1 POLYGON((3 1,3 2,4 2,4 1,3 1))

145



SELECT x || ' ' || y as nome_retangulo,

ST_AsText(CAST(

ST_MakeBox2d(

ST_Point(0 + x, 0 + y),

ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1))

as geometry)) as area_retangulo FROM

generate_series(0, 3, 1) as x

CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y;

Gera

retângulo

Converte para geometryConcatenação de string

Combina as duas séries numéricas146


Geração das subáreas:

select nome_retangulo as nome_area,

ST_AsText(ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area)) as

subarea from areas2 A CROSS JOIN

(select x || ' ' || y as nome_retangulo,

CAST(ST_MakeBox2d(

ST_Point(0 + x, 0 + y),

ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry) as

area_retangulo

from generate_series(0, 3, 1) as x

CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y) as R

where A.nome = 'SP'

147


Geração das subáreas:nome_area subarea

0 0 LINESTRING(0 1,1 1)

0 1 POLYGON((1 2,1 1,0 1,1 2))

1 0 POLYGON((1 1,2 1,2 0,1 1))

1 1 POLYGON((1 1,1 2,2 2,2 1,1 1))

2 0 POLYGON((2 0,2 1,3 1,3 0,2 0))

2 1 POLYGON((2 1,2 2,3 1,2 1))

3 0 POLYGON((3 0,3 1,4 1,3 0))

3 1 LINESTRING(4 1,3 1)

y

x

1

(0,0)

148


Geração das subáreas

select nome_retangulo as nome_area,

ST_AsText(ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area)) as

subarea from areas A CROSS JOIN


CAST(ST_MakeBox2d(

ST_Point(0 + x, 0 + y),

ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry) as

area_retangulo



where A.nome = 'SP'

Geração do conjunto de retângulos

Retorna a intersecção das áreas

Somente a área SP

Combina com todas as subáreas

149


Consulta (volume de vendas por subárea)select nome_area as nome_subarea, sum(V.qtd) as qtd from

(select nome_retangulo as nome_area,

ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area) as subarea

from areas A CROSS JOIN


CAST(ST_MakeBox2d(

ST_Point(0 + x, 0 + y),

ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry)

as area_retangulo



where A.nome = 'SP') as S

LEFT JOIN

vendas as V ON ST_Within(V.local, S.subarea)

group by nome_subarea

order by nome_subarea150


Consulta (volume de vendas por subárea)

nome_subarea qtd

0 0

0 1

1 0 1

1 1 12

2 0 4

2 1 1

3 0

3 1

y

x

1

(0,0)

10

2

11

1

1

1

1

2

5

151


Consulta (volume de vendas por subárea)select nome_area as nome_subarea, sum(V.qtd) as qtd from

(select nome_retangulo as nome_area,

ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area) as subarea

from areas A CROSS JOIN


CAST(ST_MakeBox2d(

ST_Point(0 + x, 0 + y),

ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry)

as area_retangulo



where A.nome = 'SP') as S

LEFT JOIN

vendas as V ON ST_Within(V.local, S.subarea)

group by nome_subarea

order by nome_subarea152

Metadados no PostGIS

Database: template_postgis

Tabelas:

◦ geometry_columns: informações sobre

as colunas espaciais;

◦ spatial_ref_sys: sistemas de referência

espacial.

153

Metadados no PostGIS

f_table_catalog

f_table_schema

f_table_name

f_geometry_column

coord_dimension

srid

type

geometry_columns

srid

auth_name

auth_srid

srtext

proj4text

spatial_ref_sys

f_table_schema f_table_name f_geometry

_column

coord_dimension srid type

public areas area 2 -1 POLYGON

public vendas local 2 -1 POINT

Exemplo:

154

CONCLUSÃO

Banco de Dados em GIS

155

Conclusão

GIS

Onipresença dos dados

espaciais: serviços Web,

dispositivos móveis

SGBDs

Armazenamento e

processamento de dados

espaciais tornou-se

fundamental

Representação e

Manipulação de

dados espaciais

Modelo

Conceitual

OMT-G

Representação

PostgreSQL com

PostGIS

156

Conclusão

PostgreSQL com

PostGIS

Padronização

OGC

ISO/IEC 13249 SQL/MM

Objetos

Espaciais

Funções

Espaciais

Relacionamento

entre dados

Espaciais

Junção com

Funções

Espaciais

Exportação,

Medição,

etc.

POINT,

POLYGON,

etc.

157

Trabalhos Futuros

Melhor suporte

a dados 3D

SOLAP

Indexação de

dados espaciais

MR-Tree (combinação

de R-Tree com Grid

Index)

Técnicas para:

- Dados subterrâneos

- Integração com modelos topológicos

OLAP Espacial

Pré-processa

sobreposições

entre os dados

espaciais

Trabalhos

Futuros

158

Artigo recomendado

Breunig, M. & Zlatanova, S. (2011).

3D geo-database research:

Retrospective and future

directions. In: Computer &

Geosciences. Elsevier.

159

Eventos específicos

International Conference on

Geoinformatics:

◦ <http://www.cpgis.org/Conferences/Conferen

ceDefault.aspx?ID=61>

FOSS4G – Free and Open Source

Software for Geospatial:

◦ < http://2011.foss4g.org/>

160

Referências

Borges, K. A.V., Davis Jr. C. A., Laender, A. H. F. (2005). Modelagem Conceitual de dados geográficos.

Breunig, M. & Zlatanova, S. (2011). 3D geo-database research: Retrospective and future directions. In: Computer & Geosciences. Elsevier.

Camara, G. (1994). Análise de Arquiteturas para Banco de Dados Geográficos Orientados a Objetos. Tese para Título de Doutor, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).

Câmara, G. (1995). Modelos, linguagens e arquiteturas para bancos de dados geográficos. Tese (Doutorado). INPE

Camara G., Casanova, M., Hemerly, A., Magalhães, G., Medeiros, C. (1996). Anatomia de Sistemas de Informação Geográfica. Instituto de Computação, UNICAMP.

Elmasri, R. & Navathe, S., B. (2005). Sistemas de Banco de Dados, Pearson, 4ª edição.

Gómez, L., Haesevoets, S., Kuijpers, B., Vaisman, A. A. (2009). Spatialaggregation: Data model and implementation. In: InformationSystems, 551-576. Elsevier.

161

Referências

Liu, G., Zhu, Q., He, Z., Zhang, Y., Wu, C., Li, X., Weng, Z. (2009). 3D GIS database model for efficient management oflarge scale underground spatial data. In: 2009 17th International Conference on Geoinformatics, 1-5. IEEE.

Obe, O. R. & Hsu, L. S. (2011). PostGIs in Action, Manning Publications.

OGC. (2010). OpenGIS Implementation Standard for Geographic information - Simple feature access - Part 2: SQL option, version 1.2.1, Open Geospatial Consortium Inc.

Pinto, I. (2009). Introdução aos Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Instituto de Investigação Cientifica Tropical.

Ribeiro, G., Ferreira, K. Q. R. (2006). Tutorial sobre Bancos de Dados Geográficos – GeoBrasil. Instituto Nacional de pesquisas espaciais.

Soares, A. O. P. (2004). Sistemas municipais de informação geográfica. TFC Universidade de Évora.

162

Referências Souza, I. C. A. (2003). Utilização de Sistemas de Informação Geográfica na

Análise Espacial de Dados de Saúde Pública na Paraíba entre os anos de 1998 e 2001;

Thomé, R. (1998). Interoperabilidade em Geoprocessamento: conversão entre modelos conceituais de sistemas de informação Geográfica e Comparação com o Padrão Open GIS. Dissertação de mestrado em Computação Aplicada. INPE.

Rigaux, P., Scholl, M., Voisard, A. (2002). Spatial Databases - With Application to GIS, Elsevier.

Silberchatz, A., Korth, H. F., Sudarshan, S. (2006). Sistema de Banco de Dados, Elsevier, 5ª edição.

Silva, A. B. (2010). Sistemas de Informações Geo-referenciadas, Editora Unicamp.

Stolze, K. (2003). SQL/MM Spatial - The Standard to Manage Spatial Data in a Relational Database System. In: 2003 Conference on Database Systems in Business, Technology and Web - BTW (in German).

Wu, X. & Zang, C. (2009). A New Spatial Index Structure for GIS Data. In: 2009 Third International Conference on Multimedia and UbiquitousEngineering., 471-476 IEEE.

163

banco de dados em -...

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