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INPE

Modelagem de Dados Geográficos

- Modelo orientado a objetos

- SIG

- Modelagem de DadosGeográficos (os quatrouniversos)

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

BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOSBANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 22

Conceitos IniciaisConceitos Iniciais

Espaço Geográfico - é o meio físico onde asentidades geográficas coexistem - projeto detrabalho

Entidade Geográfica - é qualquer entidadeidentificável do mundo real, possuindocaracterísticas espaciais e relacionamentosespaciais com outras entidades geográficas. Dadogeográfico com dimensão e localização nasuperfície da terra



– Dados geográficos - características básicas:

Espacial - informa a posição geográfica dofenômeno e sua geometria;

Descritiva - descreve a entidade através deatributos;

Temporais - informam o tempo de validade dosdados geográficos e suas variações sobre otempo.



– Propriedades do dado espacial

- Geométricas : são propriedades métricas quedefinem a forma das entidades a partir feiçõesprimitivas ponto, linha e polígono. Algunsexemplos são comprimento, sinuosidade eorientação da linha, perímetro, área, volume,forma e inclinação da linha.

- Topológicas : são baseadas nas posiçõesrelativas dos objetos no espaço tais comoconectividade, orientação (de, para) e adjacência.


Modelo Orientado a ObjetosModelo Orientado a Objetos

• Objeto:– corresponde à entidade do modelo E-R– Possui:

• conjunto de atributos• conjunto de métodos para se acessar seus atributos

e realizar alguma tarefa

• objeto = empregado atributos (nome, endereço) métodos: recupera_nome, recupera_endereço



• Objetos de mesma característica são agrupadosem classes

• Cada objeto de uma classe é uma instânciadesta classe

– classe empregado:atributos: nome, endereço, data_início, saláriométodos: recupera_nome, recupera_endereço, define_endereço, recupera_salário, tempo_serviço



• Herança:– classes com características semelhantes– definir especializações de uma classe– classes derivadas herdam atributos e métodos da

classe superior

Pessoa

empregado cliente

secretária administrador caixa



• Herança Múltipla– objetos herdam atributos de vários outros

Transporte Recurso Hídrico

Rodovia Rio Lago



• Agregação– objeto superior é formado a partir da combinação de

um conjunto de outros objetos

bicicleta

roda freio marcha quadro



• Propagação– característica da classe básica é derivado das classes

componentes

Município

área

Lote

áreaproprietário

Rodovia

área

Rio

áreanome


Modelo Objeto-RelacionalModelo Objeto-Relacional

• Extensão do modelo relacional• Permitem consultas baseadas em termos complexos• Atributos podem ser coleções de informações

– tipo MyString: conjunto de caracteres– tipo MyDate: dia, mês, e ano– tipo Author_List: conjunto de MyString– tipo Keyword_List: conjunto de MyString– tipo Document:

(MyString, Author_List, MyDate, Keyword_List)


Modelo Objeto-RelacionalModelo Objeto-Relacional

create type MyString char varying

create type MyDate ( dia integer, mês char(10), ano integer)

create type Document ( nome MyString, autor_list setof (MyString), data MyDate, palavras_chave setof (MyString) )

create table doc of type Document


Características de Banco de DadosCaracterísticas de Banco de Dados

• Relacional:– tipos de dados simples, linguagens de consulta eficientes,

proteção

• Orientado a objetos:– tipos de dados complexos, integração com linguagens de

programação, alta performance

• Objeto-relacional:– tipos de dados complexos, linguagem de consultas

eficientes, proteção


SistemasSistemas de de Informação Geográfica Informação Geográfica

• Ambiente computacional paraGeoprocessamento– Integrar dados cartográficos, cadastrais, de

sensores remotos, redes e modelos numéricosde terreno.

– Consultar, recuperar, visualisar, manipular eplotar o conteúdo de um banco de dados geo-referenciado.


EstruturaEstrutura de um SIG de um SIG

Interface

Consulta e Análise Espacial

Entrada e Integraçãode Dados

VisualizaçãoPlotagem

Gerência Dados Espaciais

Banco de DadosGeográfico


SIG x CADSIG x CAD

• CAD– coordenadas de papel

– regularidades nos objetos

– desenhos sem atributos

• SIG– projeções cartográficas

– topologia do espaço

– atributos descritivos

Angola

África do Sul


ModelagemModelagem de de Dados GeográficosDados Geográficos

Mundo real

Universo Universo

Conceitual Representação Implementação

Universo Universo

interface usuário

• Níveis de abstraçãomundo real → cadastro urbano, vegetação, solosconceitual → campos, objetosrepresentação → matrizes, vetoresimplementação → R-trees, quad-trees


UniversoUniverso do do Mundo Mundo Real Real

• Mapas temáticos

• Mapas cadastrais

• Modelos numéricos de terreno

• Redes

• Imagens de satélite


OO que que é um é um mapa mapa??

• Modelo simplificado da realidade.

• Uma representação, normalmente emescala, de uma seleção de entidadesabstratas relacionadas com a superfícieda Terra.

• Modelo de dados que se interpõe entre arealidade e a base de dados de um SIG.


TiposTipos de de mapa mapa

• Carta topográfica– representação de superfícies

• Mapas temáticos– conceitos qualitativos (uso do solo, clima)

• Mapas cadastrais e redes– localização de objetos do mundo (lotes)

• Imagens de satélite– informação indireta sobre a realidade


Mapas temáticosMapas temáticos

• Distribuição espacial qualitativa dagrandeza em estudo

• Domínio do atributo– nominal: lista de valores

• mapa de vegetação• {floresta, cerrado, desmatamento}

– ordinal: escala de medida• mapa de classes de declividade• {0-5%, 5-10%, >10%}


Modelos NuméricosModelos Numéricos de de Terreno Terreno

• Distribuição espacial quantitativada grandeza em estudo

• Domínio do atributo– intervalo: referência arbitrária

• altimetria, batimetria• temperatura em graus Celsius

– razão: referência natural• peso, distância• temperatura em graus Kelvin


Mapas cadastraisMapas cadastrais

• Contém objetos geográficos individuais– mapas de países, lotes, propriedades rurais

País PIB (Us$ bn)

Pop (milhões)

Argentina

Brasil 350

295 34

159

Chile 45 14


MapasMapas de de rede rede

• Contém objetos com topologia arco-nó– utilizado para redes conectadas



• Objetos endereçados no espaço

• Exemplo: rede de distribuição elétrica– rede primária

– rede secundária

– sub-estações, alimentadores

– postes, transformadores, chaves

– cadastro urbano

– cadastro de consumidores



• Ligação forte com banco de dados

id label capacidade

22 Eng. Dentro 3.000 kVA

id label Transformador

2345 32-17-95 Classe 3

Sub-estações

Postes


ImagensImagens

• Fontes: satélites, fotografiasaéreas

• Elemento de imagem (pixel)– proporcional à energia

eletromagnética refletida ouemitida por área da superfícieterrestre


ModelandoModelando a a natureza natureza

• O que há num mapa?

• Linhas no mapa– divisão política

– separação entre tipos de solo

– isolinhas (cota 1000)

• E o mapa como modelo dedados?


Universo conceitualUniverso conceitual

• Campos (variáveis geográficascontínuas)– mapa temático– modelo numérico do terreno– imagem

• Objetos (variáveis geográficasdiscretas)– linhas de transmissão– quadras


Universo conceitualUniverso conceitual: geo-: geo-campocampo

Geo-Campo: ƒ= [ R, A, λλλλ] , onde: R ⊂⊂⊂⊂ ℜℜℜℜ2, A = { A1, A2, ..., An} é um conjunto de atributos e λλλλ: R→→→→A mapeia pontos de R para valores em A.

Representa a distribuição espacial de uma variável que possui valores em todos os pontos pertencentes a R.

Contra-domínio da função conjunto enumerável = temático

mapa de cobertura vegetal valores contínuos (-∞ a +∞) = numérico

mapa de aeromagnetometria


Universo conceitualUniverso conceitual: geo-: geo-objetosobjetos

Dadas as regiões geográficas R1,R2,..Rn (Ri⊂ℜ⊂ℜ⊂ℜ⊂ℜ2) e o conjunto deatributos convencionais A1,...,An,

Geo-Objeto go = [ r1, r2, ..., rn, a1, a2,...,an], onde ri ⊆⊆⊆⊆ Ri é uma parte de uma região geográfica Ri e ai ∈∈∈∈ Ai é um valor particulardo atributo Ai.

É um elemento único que possui atributos não-espaciais e está associado a múltiplas localizações geográficas.

País PIB Pop

Argentina

Brasil 800

300 34

159

Chile 45 14


Geo-Geo-objetosobjetos

• Um geo-objeto, múltiplas representações

•1

•2

•3

id nome

Amazonas

Xingu

id nome

Yanomami

Waimiri

Kayapó

1

2

3


Mapa cadastralMapa cadastral

• Suporte para mapeamento de objetos

Lotes

geoid dono cadastro IPTU

22 Guimarães Caetés 768

endereço

22250186

Mapa Lotes n. 345Jardim Esplanada

23 Bevilácqua São João 456 110427

24 Ribeiro Caetés 790 271055

23


MapasMapas de de Rede Rede

p. 92-17-63

tr. 1567primária

Sub-estação

p 92-17-64

Hospital

secun.cons. 0193516


Modelo Modelo de de DadosDados - SPRING - SPRING

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


UniversoUniverso de de Representação Representação

Plano deInformação

RepresentaçãoGeométrica

Matricial Vetorial

é-um

is-represented-by

é-um

Plano de Informação é a generalização dos conceitos degeo-campo e de objeto cadastral


Representação VetorialRepresentação Vetorial

• Componentes– ponto, linha, região

– região M={1,2,3,4,5}

• Topologia– relação espacial entre objetos

– Toulouse fica na região MM

1

2 3

4

5

toulouse


TopologiaTopologia

Estrutura topológica do tipo nó-linha-polígono


Representação MatricialRepresentação Matricial

• Componentes– matriz de células

– índice espacial

– cada célula, um valor

• Indica o que ocorre em cadalugar do espaço

Le

Li

AqLs


Representações para mapas temáticosRepresentações para mapas temáticos

• Vetorial– preserva relacionamentos topológicos– associa atributos a elementos gráficos– melhor exatidão e eficiência de armazenamento

• Matricial– fenômenos variantes no espaço– adequado para simulação e modelagem– processamento mais rápido e simples– maior gasto em armazenamento


Universo de Representação -TEMÁTICO

Hierarquia de representaçãoMapas Temáticos


RepresentaçãoMatricial

RepresentaçãoVetorial

é representado em

Conjunto de células de uma matriz 2Dde números inteiros (índices deTab. deCores)* Gerada a partir de mapeamentos deimagens classificadas ou conversão vetor - matriz

Imagem Temática

Mapas vetorias constituídos de Nós2D, Linhas 2D e Polígonos

* Gerados a partir da digitalização debases existentes, mapeamentos ouconversão matriz - vetor

Temático

é um é um

é umé um


Representações paraRepresentações para MNT MNT

Grade regular (matriz de reais)• elemento com espaçamento fixo• valor estimado da grandeza



Grade triangular (TIN)• conexão entre amostras• estrutura topológica arco-nó


Universo de Representação - NUMÉRICOHierarquia de representação


RepresentaçãoMatricial


Conjunto de Linhas 2D commesmo valor de cota* Altimetria* Curvas de Isovaloresmagnéticos

ISOLINHA

Conjunto de Pontos comcoordenadas 3D (x,y,z)* Pontos Altimetria* Amostras de Solo (geoquímica)

PONTOS COTADOS

Conjunto de Linhas 2Dconectadas a Nós 3D* Gerada a partir de Isolinhas e/ou Pontos Cotados (c/ ou s/linhas de quebra)

GRADE TRIANGULAR

é representado em

Conjunto de células de umamatriz 2D* Gerada a partir de Isolinhas e/ou Pontos Cotados, GradeTriangular ou outra Retangular

GRADE RETANGULAR

é umé um

Modelo Numérico de Terreno

é um é um

é um

é um



Grade triangular Grade regular

Vantagens 1. Melhor representação de re-

levo complexo

2. Incorporação de restrições

como linhas de crista

1. Facilita manuseio e

conversão

2. Adequada para geo-

física e visualização

3D

Problemas 1. Complexidade de manuseio

2. Inadequada para visualiza-

ção 3D

1. Representação de re-

levo complexo

2. Cálculo de declividade


Universo de Representação -CADASTRAL

Hierarquia de representação

Mapa Cadastral



é representado em

é um é umMapas vetorias constituídos de Nós2D, Linhas 2D e Polígonos* Gerados a partir da digitalização debases existentes, mapeamentos(levantamento topográfico, gps etrena)

Cadastro


Universo de Representação - REDESHierarquia de representação

Mapa de Redes



é representado em

é um é um

Mapas vetorias constituídos de Nós derede 2D e Linhas 2D orientadas* Gerados a partir da digitalização debases existentes, mapeamentos(levantamento topográfico, gps etrena)

Redes


Representações computacionais para mapasRepresentações computacionais para mapas

Mapas temáticos Arco-nó-polígono Matriz de bytes

Mapas Cadastrais Arco-nó-polígono

Mapas de Rede Arco-nó

Modelos numéricos deterreno

Grades triangularesou isolinhas

Matriz de reais

Imagens Matriz de inteiros

Vetorial Matricial


Universo de ImplementaçãoModelagem de Dados em Geoprocessamento

• As estruturas de dados e algoritmos para manipulaçãodos dados geográficos são escolhidos (nível decodificação)

• Deve-se considerar: desempenho

capacidade do equipamento

tamanho da massa de dados


SPRING: Modelo SPRING: Modelo ConceitualConceitual

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