Modelagem Dinâmica com TerraME Aula 2 –Bancos de Dados Geográficos Gilberto Câmara (INPE)

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1 Modelagem Dinâmica com TerraME Aula 2 –Bancos de Dados Geográficos Gilberto Câmara (INPE)

2 Visão Geral de um SIG Interface Entrada e Integr. Dados Visualização Plotagem Gerência Dados Espaciais Consulta e Análise Espacial BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO

3 Banco de Dados Geográfico Elemento fundamental do sistema Componentes  Tratamento dos dados geométricos (mapas e imagens)  Tratamento dos dados descritivos (tabelas) Responsabilidades  Armazenar os dados e controlar o acesso Decisão básica  Que tipo de uso faremos da informação (desktop, distribuído, web)? O armazenamento/recuperação dos dados depende do tipo de uso

4 Qual é o problema real quando lidamos com Bancos de Dados? É um problema de controle de acesso? Ou é um problema de escolher a representação certa? Ou ainda uma questão de escolher a tecnologia certa (servidor de mapas x dados, software livre x proprietário)? Como o fato de usarmos um banco de dados interfere no fluxo de informação da instituição?

5 Tecnologia de Informática ou Tecnologia de Informação? Tecnologia de informática  Construir banco de dados  Desenovolve um software GIS  Implementar um servidor WebGIS  Competência – programação (Ciência da Computação) Tecnologia de informação  Caracterização da instituição  Fluxos de informação  Processos gerenciais da instituição  Como a informática modifica a informação?  Competência – Engenharia de Sistemas Humanos (“engenharia de gente”) - ???

6 Diferentes Arquiteturas de SIG GIS “desktop”  Ambiente monousuário  Ênfase em interfaces amigáveis e funções de análise SIG distribuído  Ambiente multiusuário Compartilhamento de dados  Ênfase em controle de acesso e manutenção de integridade Servidores Web  Uso da Internet para disseminar dados  Ênfase em eficiência de acesso e interfaces de navegação

7 O que é um SGBD? Gerenciador de tabelas (dbase) NÃO é um gerenciador de banco de dados Gerenciador de bancos de dados (PostgreSQL) deve oferecer?  Controle de acesso  Gerência de transação  Segurança  Restrições de integridade  Backup Access é um SGBD?  Gerenciador de tabelas (monousuário)

8 Tratamento de Dados Descritivos Modelo Relacional  Coleção de tabelas com nome único  Colunas da tabela representam atributos  Linhas da tabela contém valores para os atributos  Domínio do atributo: conjunto de possíveis valores X = { x   | x  0} Y = { y   | y  0 }

9 Exemplo de uma Relação EMPREGADO AtributoDomínio registrointeiro positivo nomeconjunto de caracteres idadeinteiro positivo salárioreal positivo deptointeiro positivo

10 Tratamento de Dados Descritivos Banco de dados relacional  Conjunto de relações (tabelas)  Referentes a uma aplicação  Gerenciadas em conjunto Exemplo: Tabelas de um banco de dados de empresa  Empregado (informações sobre os funcionários)  Departamento  Clientes  Fornecedores  Tabela salarial Como definir estas relações?  Assunto para curso “Bancos de Dados Geográficos”

11 Tratamento de Dados Descritivos Dados descritivos  Podem se referir a objetos localizados no espaço  Exemplo: Lotes de uma cidade (Cadastro urbano)  Cadastro convencional -> apenas tabelas  Como inserir a informação espacial?

12 Geoprocessamento e Políticas Públicas: Ordenamento Territorial

13 Colocando o Mundo no Computador

14 Representação Computacional Computadores  instrumentos de representação do conhecimento  capturam modelos formais da realidade  exigem quantificação (visão reduzida) O que representar?  Aproximações de entidades realmente existentes (e.g. rio)  Conceitos abstratos (tipos de solo, exclusão social)

15 Processo de Representação Computacional Níveis de abstração  Ontologias (conceitos do mundo real): lote, tipo de solos  Formal: entidades (objetos) x distribuições (campos)  Estruturas de dados: matrizes, vetores  Implementação: código em linguagem de computador Universo Ontológico Universo Formal Universo Estrutural Universo Implement.

16 Processo de Representação Computacional Universo Ontológico Universo Formal Universo Estrutural Universo Implement. loteGeo-objeto Poligono Tabela Lista de coord.

17 Universo Ontológico Domínio de aplicação  estabelece conceitos (“visão de mundo”)  ex: “lote”, “tipo de solo”, “área desmatada” Como traduzir os conceitos para o SIG ?  Associação formal campos/objetos (e suas especializações)  Mensuração levantamento de campo

18 Universo Ontológico: Conceitos

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20 Representação Computacional Capacidade de definir conceitos do mundo  “rio”, “bairro”, “homicídio”, “exclusão social” Homicídio – atentado à vida da pessoa (culposo, doloso) Capacidade de associar medidas aos conceitos do mundo  Associar atributos, localização, tempo  Homícidio Local e data do homicídio, Sexo da vítima, Tipo do homicídio (culposo, doloso), Período do dia, Arma do crime

21 Representação Computacional: Limites Capacidade de medida  Homicídio – limitado pela capacidade do sistema policial Estruturas de dados disponíveis  Tabelas – atributos (string, reais, inteiros, data)  Geometrias associadas a coordenadas (e.g., polígonos)  Geometrias associadas a partições regulares (e.g., matrizes)  Relações entre tabelas e geometrias

22 Representação Computacional: Limites Só podemos representar aquilo que as estruturas de dados nos permitem expressar!  “Os limites da minha linguagem são os limites do meu mundo”

23 Representações Computacionais do Espaço Objetos  Regiões poligonais “Topografias”  Superfícies  Imagens Redes  Topologia das ligações Modelos funcionais  Automata celular  Modelos Físicos

24 Estruturas de Dados Computacionais 2D (estático)  vetores (ponto, linha, polígono)  matrizes de inteiros 2,5 D (estático)  malhas triangulares  grades regulares (inclui imagens) 2D/3D (dinâmico)  representações funcionais  autômatos celulares

25 Representação Vetorial A representação vetorial consiste em associar coordenadas 2D às feições geográficas.

26 Estruturas de Dados Vetoriais Polígonos Linhas Pontos

27 Estruturas de Dados Vetoriais fonte: Universidade de Melbourne

28 Para que serve um polígono? Setores censitários em São José dos Campos

29 Para que serve um polígono? Setores Censitários  Papel institucional  Linhas no mapa Função social Levantamento de dados Indicadores sociais Estrutura Geral  “Uma área é um setor censitário no Censo 1991”

30 Para que serve um polígono? Mapa Temático de Geologia - Quão realista é representá-lo por limites bem definidos? Polígonos exatos são artefatos de mapeamento

31 Para que serve um Polígono? Praia Brava Praia de Boiçucanga Exemplo de Unidade Territorial Básica - UTB

32 Representações Vetoriais de Regiões 2D Polígonos fechados  As coordenadas de cada polígono são guardadas em separado  Vantagens Facilita a inserção num banco de dados geográfico  Desvantagens Duplicação de linhas e possíveis erros

33 Possíveis Problemas com Estruturas Vetorais com Polígonos Fechados fonte: John Elgy

34 Representações Vetoriais de Regiões 2D Estrutura arco-nó (topológica)  Cada polígono é uma lista de linhas  Vantagens Evita erros e duplicação de linhas  Desvantagens Mais complicado de produzir

35 Estruturas de Dados “Topológicas” Conceito de Topologia  Propriedades de um conjunto de dados espaciais que são invariantes a translação, rotação e escala Propriedades  Vizinhança (“do lado de”)  Pertinência (“dentro de”)  Conexao (“ligado a”) A B

36 Estruturas de Dados Vetoriais Topológicas fonte: John Elgy

37 Estruturas de Dados Vetoriais Topológicas Cada linha é guardada individualmente Usamos os centróides para recuperar o polígono

38 Edição de polígonos com topologia Entrada de linhas produto: “espaguete” Ajustar linhas remover “pontas” Formar polígonos método dos centróides topologia automática Associar atributos PoligSolo A B Le Ag A B E C D

39 Redes: Topologias Arco-Nó

40 Rede Contém objetos com topologia arco-nó

41 Rede Objetos endereçados no espaço Exemplo: rede de distribuição elétrica  rede primária  rede secundária  sub-estações, alimentadores  postes, transformadores, chaves  cadastro urbano  cadastro de consumidores

42 Vetores + Tabelas Dualidade entre localização e atributos Lotes geoid donocadastro IPTU 22Guimarães Caetés 768 endereço 22 250186 23BevilácquaSão João 456 110427 24 RibeiroCaetés 790 271055 23

43 Ligação entre Geometria e Atributos

44 Integração Localização - Atributos Praia Brava Praia de Boiçucanga Exemplo de Unidade Territorial Básica - UTB

45 Representações 2D do espaço Raster Vector fonte: Mohamed Yagoub

46 Representação Matricial Componentes  matriz de células  índice espacial para cada elemento  cada célula, um ou mais valores Indica o que ocorre em cada lugar do espaço Le Li Aq Ls

47 Estrutura de uma matriz célula Extensão Resolução fonte: Mohamed Yagoub

48 O que representamos em uma célula? Célula Qualidades: “Alto, baixo” (temático) Quantidades: teor de cobre (numérico) fonte: Mohamed Yagoub

49 Conversão Vetorial  Matricial fonte: Mohamed Yagoub

50 Representação Matricial fonte: Mohamed Yagoub

51 Matrizes x Vetores

52 O problema da mistura das células fonte: Mohamed Yagoub

53 Espaço Celular Cada elemento da grade  índice espacial para uma tabela Generalização de uma matriz Le Li Aq Ls

54 Espaço Celular

55 Cell Spaces

56 (a)land_cover equals deforested in 1985

57 Representações 2D Vetorial  Preserva relacionamentos topológicos  Preferida quando necessitamos de identificar objetos (e.g. cadastro urbano e rural) Matricial  Processos contínuos  Preferida quando tratamos com dados de recursos naturais (e.g., geologia, solos, etc..)

58 Vetores ou Matrizes ? “Os limites desenhados em mapas temáticos (como solo, vegetação, ou geologia) raramente são precisos e desenhá-los como linhas finas muitas vezes não representa adequadamente seu caráter. Assim, talvez não nos devamos preocupar tanto com localizações exatas e representações gráficas elegantes. Se pudermos aceitar que limites precisos entre padrões de vegetação e solo raramente ocorrem, nós estaríamos livres dos problemas de erros topológicos associados como superposição e intersecção de mapas.” (P. A. Burrough)

59 Geoprocessamento e Políticas Públicas: Ordenamento Territorial

60 Arquitetura Dual Organização  dados geométricos - sistemas de arquivos externo  tabelas de atributos - SGBD relacional  Ex: ArcView, MapInfo, IDRISI, SPRING idlabelpopulação 22Maine3,5 M 34N.Mexico1,2 M

61 Arquitetura Dual: como funciona? Cada elemento geométrico  Identificador único Cada linha das tabelas descritivas  Identificador único Software  Verifica quais geometrias correspondem a que linhas na tabela Problema  O que fazer com os casos em que não há correspondência?

62 Arquitetura Dual

63 Arquitetura Dual: Exemplos SPRING  Dados descritivos: SGBD relacional (DBase, Access)  Dados geométricos: Arquivos com formato específico ArcView  Dados descritivos: SGBD relacional  Dados geométricos: “shapefiles” IDRISI  Dados descritivos: SGBD relacional  Dados geométricos: matrizes Quem é o gerenciador de dados num sistema como SPRING, ArcView e IDRISI?  A própria aplicação

64 TerraCrime

65 Arquitetura em camadas (objeto-relacional) Modelo “objeto-relacional”  Tratar objetos (e.g. áreas) como partes de relação  Colocar os dados geométricos no banco de dados Extensões do modelo relacional  Usar uma coluna como um registro binário (“campo longo”)

66 Arquitetura em camadas Vantagens  Permite construir SIG distribuídos (multiusuários)  Tem controle de integridade dos dados espaciais  Permite accesso e atualização multi-usuário Problemas  complexidade de implantação e uso  soluções proprietárias Cada fabricante tem solução distinta

67 Arquitetura em Camadas (Objeto-relacional) Banco de dados (alternativas)  Apenas suporte para campos longos (ORACLE não-espacial, mySQL)  Interface para tipos de dados espaciais (ORACLE Spatial, PostGIS) Camada de Acesso  Bibliotecas de funções (API) TerraLib, ArcSDE Interface  Integrada com camada de acesso TerraView  Cliente-Servidor SIGMUN, ArcGIS 8.0 Banco de Dados Camada de acesso Interface

68 Exemplos de Arquitetura em Camadas TerraLib/TerraView  Access, ORACLE, Postgres ArcInfo 8  Access, ORACLE

69 Arquitetura em camadas: componentes Exemplos – TerraView/TerraLib Banco de dados  PostgreSQL Camada de Acesso  TerraLib Acesso ao banco (C++) API (C++, Java, VB, Delphi) Interface  TerraView (C++)  SIGMUN (Delphi/VB)  TerraWeb (PhP)  InfoPAE (Java) Banco de Dados Camada de acesso (TerraLib) Interface de Usuário C++ C++, Java, Delphi, VB, PhP Ambiente de Programação (TDK) C++

70 Geoprocessamento e Políticas Públicas: Ordenamento Territorial