bancos de dados geogrÁficos augusto ferreira priscila marangoni rodrigo daniel lengler thiago azizo...

BANCOS DE DADOS GEOGRÁFICOS

AUGUSTO FERREIRA PRISCILA MARANGONI

RODRIGO DANIEL LENGLERTHIAGO AZIZO DENARDI IBAGY

INE 5616 – Banco de Dados II

Localização - “Onde está ...” “Quais as áreas com declividade acima de

20%? Condição - “O que está ..”“Qual a população desta cidade ?”

Tendência - “O que mudou...” “Esta terra era produtiva há 5 anos atrás ? “

Pensar o Espaço

Pensar o Espaço

Roteamento - “Qual o melhor caminho...”

“Qual o melhor caminho para o metrô ?”

Padrões - “Qual o padrão....?”“Qual a distribuição da dengue em Fortaleza ?”

Modelos - “O que acontece se ...?”“Qual o impacto no clima se desmatarmos a

Amazônia ?”

BD CONVENCIONAL X BD GEOGRÁFICO

BD Convencional Tipos de dados básicos BD Geográfico Suporta inserção/manipulação de tipos de

dados geométricos, tais como: ponto, linha, círculo.

• Operações sobre esses dados: distância, contém, adjacência.

BD GEOGRÁFICOConceito e Manipulação dos DadosBD não-convencional : cada dado tratado possui atributos

descritivos e uma representação geométrica no espaço geográfico.

Os dados disponíveis num BD GEO podem ser manipulados por métodos de processamento de imagens e de análise geográfica.

BD GEOGRÁFICOVantagens

Arquitetura integrada com extensões espaciais

A linguagem SQL possui extensões para consultas espaciais

Facilidade de conhecer a semântica dos dados

Suporta indexação nos dados convencionais e espaciais

SIG Sistema de Informações

Geográficas• Um Sistema de Informações Geográficas

(SIG) gerencia uma Base de Dados não convencional;

• Para isto o SIG utiliza um modelo de dados mais expressivo que captura a semântica espacial das aplicações;

• Oferecer mecanismos para consultar, recuperar, visualizar e plotar o conteúdo da base de dados georreferenciados.

Sistema Informações Geográficas Aplicações

Em aplicações de modelagem cartográfica e de terreno as variações espaciais são representadas baseada em campos ;

Em aplicações de objetos geográficos os dados são identificados por um domínio físico, como usinas elétricas, distritos eleitorais, utiliza-se a representação baseada em objetos .

Sistema Informações Geográficas X BD GEO

•Uso em várias áreas de aplicação, tais como, agricultura, manejo florestal, gestão ambiental, geografia, geologia, planejamento urbano e regional e oceanografia, entre outros;

•Os dados estão representados na forma matricial (raster) ou vetorial;

•BD GEO – é um componente de um SIG

Duas abordagens: Vetorial - que representa objetos

geométricos: pontos linhas e polígonos. (Por exemplo, um lago pode ser representado por um polígono, um rio por alguns segmentos de linha.);

Raster/Matricial - caracterizada por uma matriz de células de tamanhos regulares. Para cada célula é associado um conjunto de valores representando as características geográficas da região.

É um mapa de bits, ou bitmap.

Modelo de representação de dados espaciais

Modelo de Representação de dados espaciais

Representação do espaço

Vector

Raster ouMatricial

Modelo de representação de dados espaciais Matricial

Estrutura de uma matriz:

Modelo de representação de dados espaciais Vetorial

Estruturas de Dados Vetoriais

Arcos e Nós Polígonos

Ilha (tipo especial de polígono)

Para que serve um polígono?

Setores censitários em São José dos Campos - SP

Modelo de DadosConjunto de conceitos usados para descrever a estrutura e operações em um banco de dadosBusca sistematizar o entendimento de objetos e fenômenos que serão representados em um sistema informatizadoModelo de dados conceitual – técnica utilizada para modelar um banco de dadosEsquema conceitual – resultado de uma modelagem (conjunto de diagramas em um determinado modelo conceitual)

Modelagem Conceitual de Dados GeográficosAtividade complexa pois exige a discretização do espaço para obter uma representação adequada dos fenômenos geográficosPrimeiros modelos eram voltados a estruturas internas dos SIG, usuário era forçado a adequar os fenômenos espaciais às estruturas disponíveisPoucos mecanismos para representação da realidade Necessidade de modelos mais adequados (maior nível de abstração, semântica, independência de implementação)

Modelagem Conceitual de Dados GeográficosModelos tradicionais (ER, OMT, UML) são largamente utilizados, mas apresentam limitações à modelagem de dados geográficosDiversas propostas estendem os modelos tradicionais, procurando suprir as necessidades de aplicações geográficas: GeoOOA (Kösters, 1997) MODUL-R (Bédard, 1996)GMOD (Oliveira, 1997)IFO para aplicações geográficas (Worboys et al., 1990)GISER (Shekhar, 1997)OMT-G (Borges, 2001)GeoFrame (Lisboa and Iochpe, 1999)MADS (Parent, 1999)

Níveis de abstração de dados geográficosMundo real: fenômenos geográficos reais a representar: rios, ruas, vegetaçãoRepresentação conceitual: Conjunto de conceitos formais para modelagem das entidades geográficas na forma como são percebidasApresentação: Especificação dos aspectos visuais que as entidades geográficas assumem ao longo de seu uso em aplicaçõesImplementação: Define padrões, formas de armazenamento e estruturas de dados para implementar as representações, relacionamentos as necessárias funções e métodos

Modelo de dados OMT-GObject Modeling Technique for Geographic ApplicationsBaseado em primitivas definidas para o diagrama de classes UMLIntroduz primitivas geográficas – melhor capacidade de representação semântica do espaçoModelagem de geometria e topologia (estruturas todo-parte, estruturas de rede, mútiplas representações de objetos, relacionamentos espaciais além de especificação alfanumérica e associação de métodos para cada classe)

Modelo de dados OMT-GCobre os níveis de representação conceitual e apresentaçãoPropõe o uso de três diagramas:ClassesTransformaçãoApresentação

Diagrama de ClassesContém as classes especificadas junto com suas representações e relacionamentosDefinição de restrições de integridade espaciaisPossibilidade de especificação de múltiplas representações ou derivação a partir de outra classe

ClassesClasse georreferenciada – descreve conjuntos de objetos que possuem representação espacial e estão associados a regiões da superfície da terra – São especializadas em Geo-campo e Geo-objetoClasse convencional – possui propriedades, comportamento e relação com objetos espaciais, mas não possui propriedades geográficasA diferenciação entre classes georreferenciadas e convencionais permite o compartilhamento de dados não espaciais, facilitando o desenvolvimento de aplicações integradas e reuso de dados

Classes – Notação Gráfica

Classes GeorreferenciadasGeo-camposRepresentam objetos e fenômenos distribuídos continuamente no espaço (Ex. tipo de solo, relevo, geologia, etc.)

Classes GeorreferenciadasGeo-objetosObjetos geográficos particulares, individualizáveis associados a elementos do mundo real (Ex. lotes, edifícios, rios, árvores, postes, etc.)Geo-objetos com geometria: possuem apenas propriedades geométricas - especializada como Ponto, Linha e Polígono (Ex. árvore, meio-fio, edificação)Geo-objetos com geometria e topografia: além de propriedades geométricas, possuem conectividade topológica - nós, linha unidirecional (Ex. rede de esgoto) e linha bidirecional (Ex. rede de telecomunicações)

Classes GeorreferenciadasGeo-objetos

RelacionamentosAssociações simples (relacionamentos estruturais entre objetos de classes diferentes)Relacionamentos de rede (objetos conectados uns aos outros)Relacionamentos espaciais (toca, em, cruza, sobrepõe e disjunto)

Relacionamentos – Notação Gráfica

CardinalidadeMesma notação usada na UML

Generalização e especialização

AgregaçãoAssociação entre objetos onde se considera que um deles é formado a partir de outrosPode ocorrer entre uma classe georreferenciada e uma convencionalMesma notação UML

Agregação espacial: relacionamentos topológicos “todo-parte” – união da geometria das partes forma a geometria do todo

Generalização conceitualSérie de transformações realizadas sobre a representação da informação espacial para melhorar a legibilidade e compreensão dos dados pelo usuárioUm objeto do mundo real pode ter várias representações espaciais, de acordo com a escala de visualização. Ex: em um mapa de escala pequena uma cidade pode ser um ponto, em um mapa de escala maior um polígonoSuperclasse não tem representação específica, deve ser especificada nas subclassesSubclasses podem herdar atributos alfanuméricas da superclasse e também ter atributos própriosPode ocorrer de acordo com a forma geométrica ou de acordo com a escala

Generalização conceitual

Diagrama de transformaçãoNotação semelhante aos diagramas de estado e atividades da UMLEspecificação de transformações entre representações de classes

Diagrama de apresentaçãoDeterminação do aspecto visualDefine parâmetros como cor, tipo de linha, espessura de linha, padrão de hachura de geo-objetos e geo-campos

Exemplo de modelagem – Diagrama de classes OMT-G

Ferramenta CASEExtensão do Microsoft Visio para construir esquemas no modelo OMT-G

Preliminares:

Utilizar, cada vez mais, recursos de SGBDs. A pesquisa na área de Banco de Dados passou, já há algum tempo, a preocupar-se com o suporte a aplicações não convencionais (Schneider, 1997), incluindo as aplicações SIG.

Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

Arquitetura Dual e a Arquitetura Integrada

Arquitetura Dual

Arquitetura Dual e a Arquitetura Integrada

Arquitetura Integrada

Relacionamentos TopológicosOs modelos adotados nas

implementações da maioria dos SIGs seguem o paradigma das matrizes de interseção introduzida por Max Egenhofer.

No modelo chamado de matriz de 4-interseções, oito relações topológicas binárias são consideradas, representando a interseção entre a fronteira e o interior de duas geometrias.

Relacionamento TopológicoModelo de Matriz de 4-Interseções

No modelo acima, os resultados das intersecções são avaliados considerando os valores vazio ou não-vazio. Há várias situações em que é necessário considerar as dimensões das interseções não vazias. Por exemplo, certo estado X só considera um outro estado Y como vizinho se eles têm pelo menos uma aresta em comum. Neste caso, para encontrar os vizinhos do estado X, não basta saber quais estados “tocam” ou são “adjacentes” a ele, mas sim se o resultado da interseção entre eles é uma aresta.

Consultas EspaciaisSegundo Brinkhoff et al. (Brinkhoff et al.) as consultas espaciais podem ser classificadas em:

• Seleção espacial;• Junção espacial;

Métodos de acessoMétodos de acesso multidimensionais. No caso dos bancos de dados espaciais,

estes métodos estão ligados ao processamento de consultas típicas como: consulta por apontamento (encontrar os

objetos que contém um dado ponto), consultas por região (encontrar os objetos

dentro de uma janela ou retângulo) e consultas com predicados topológicos

(encontrar os objetos vizinhos de um determinado objeto).


Terralib Biblioteca de classes escritas em C++ base para a

construção de aplicativos geográficos de arquitetura integrada

Distribuída como software livre e com o código fonte aberto, seguindo a licença LGPL - GNU Lesser Public License

Multiplataforma e desenvolvida pela Divisão de Processamento de Imagens (DPI) do INPE, juntamente com a Funcate e a Tecgraf da PUC-RIO

A TerraLib armazena os dados geográficos (vetoriais e matriciais) em SGBDs.

Através dos drivers, um banco de dados TerraLib pode ser criado em diferentes tipos de SGBDs, comerciais ou livres, com ou sem extensão espacial.

Os SGBDs suportados pela biblioteca são: PortgreSQL, PostGIS, MySQL, Oracle, Oracle Spatial, SQL Server e Microsoft Access.


O modelo para armazenar dados geográficos proposto pela TerraLib éformado por dois tipos de tabelas: 1. Tabelas de metadados: - possuem nome e formato pré-definido e são usadas para guardar o modelo conceitual da TerraLib.


As tabelas de metadados são criadas automaticamente quando se cria um banco de dados TerraLib.

Essas tabelas armazenam informações sobre os dados geográficos existentes no banco como:

- Quais os planos de informação ou layers existem; - Qual a projeção cartográfica de cada plano; - Quais geometrias esse plano contêm (pontos, linhas,

polígonos, células, rasters, etc);- Onde estão armazenadas e quais suas tabelas de atributos.


2. Tabelas de dados: são usadas para guardar os dados em si, tanto em sua componente espacial quanto descritiva.

Em um banco TerraLib, os dados geográficos são armazenados em dois tipos de tabelas: tabelas de atributos e tabelas de geometrias. - As tabelas de atributos armazenam a componente alfanumérica ou descritiva e temporal dos dados geográficos.

- As tabelas de geometrias armazenam a componente espacial.


Em SGBDs com extensão espacial, como o Oracle Spatial e PostGIS, os dados vetoriais são armazenadas em tipos de dados espaciais.

Nos SGBDs que não possuem extensão espacial, os dados vetoriais são armazenados em campos do tipo bináriolongo (BLOB).


A TerraLib propõem um modelo para armazenar e manipular dados matriciaisbaseado em divisão em blocos e pirâmide de multi-resolução.

O esquema de tiling (divisão por blocos) é usado como indexação espacial, de forma que quando se deseja recuperar uma parte da imagem apenas os blocos relevantes para essa parte serão recuperados.

A pirâmide de multi-resolução é útil na visualização de imagens grandes e evitaacessos desnecessários, pois, nos níveis da pirâmide onde a resolução é degradada,menos blocos são recuperados.


O TerraView é um aplicativo construí do sobre a biblioteca

de geoprocessamento TerraLib , tendo como principais objetivos: - Apresentar à comunidade um fácil visualizador de dados geográficos com recursos de consulta a análise destes dados. - Exemplificar a utilização da biblioteca TerraLib .

O TerraView manipula dados vetoriais (pontos, linhas e polí gonos) e matriciais (grades e imagens), ambos armazenados em SGBD relacionais ou geo-relacionais de mercado, incluindo ACCESS, PostgreSQL, MySQL e Oracle.


O TerraPHP é uma extensão da linguagem PHP, construída no

topo da biblioteca TerraLib, para facilitar o desenvolvimento de aplicativos Web de visualização e consulta a bancos de dados geográficos.


<? $t = TerraWeb(); if(!$t->connect("localhost", "nome_usuario", "senha", "nome_banco", 3306, 1)) { echo("ERRO!!!"); echo($t->errorMessage()); exit(); } else { echo("A conexao foi um sucesso!"); }?>

O TerraPHP é uma extensão que adiciona facilidades para consulta e visualização de dados geográficos. Estas facilidades estão disponíveis na forma de uma classe interna chamada TerraWeb. A forma de implementação (classe interna) utilizada permite o uso de um estilo de programação orientado a objeto.

TerraWeb

A classe TerraWeb fornece métodos para estabelecimento de uma conexão a um servidor de bancos de dados, exploração do conteúdo do banco e fornece um canvas (abstração de uma área para desenho) que pode ser utilizado para visualizar a componente espacial dos objetos geográficos do banco de dados. O desenho sobre o canvas pode ser materializado através de imagens no formato PNG ou JPEG.

http://www.digital.santos.sp.gov.br/

Estudo de Caso

BibliografiaTutorial sobre Bancos de Dados

Geográficos - GeoBrasil 2006, por: Gilberto Ribeiro Queiroz e Karine Reis Ferreira. DPI – INPE Acessado em 16/06/2009 às 15:00.<http://www.dpi.inpe.br/TutorialBdGeo_GeoBrasil2006.pdf>

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