IN1008 – Projeto Conceitual de BD

IN1008 – Projeto Conceitual de BD
Modelagem Conceitual para BD Geográfico - Principais conceitos e exemplos de aplicações Por: Carla Verónica Ruiz Castro

Roteiro Motivação e Objetivos Estado da arte
Conceitos básicos de Cartografía Principais conceitos de Sistemas Geográficos Operadores sobre dados espaciais Abordagem prática Referências

Motivação e Objetivos Apresentar os conceitos básicos de cartografia.
Apresentar os principais conceitos de BD geográficos e examinar os problemas básicos de representação computacional de dados geográficos. Apresentar os operadores sobre dados espaciais. Mostrar dois exemplos de aplicação prática dos conceitos apresentados.

Sistemas Geográficos SIGs
Estado da arte Tendências Software de Baixo Custo: a idéia é promover uma popularização do uso da informação espacial, através de ferramentas simples e baratas que funcionam acopladas em rede a servidores de dados espaciais mais poderosos. Uso de Imagens: intensificação do uso de imagens digitais como informação complementar à informação vetorial. Os custos de armazenamento e processamento de grandes volumes de imagens tem sido reduzidos. Orientação a Objetos: os conceitos de orientação a objetos levam à definição mais racional, mais próxima do mundo real, de modelos e estruturas de dados. Dados Geográficos na Internet: Diversos desenvolvedores de SIG têm lançado produtos para prover acesso, via Internet, a bases de dados geográficas.

Conceitos Básicos de Cartografía
Definições básicas: Elipsóide de revolução: a figura geométrica regular que mais se aproxima da verdadeira forma da terra é o elipsóide de revolução. Se obtém ao se rodar um elipse em torno de seu eixo menor.

Datum: é um conjunto de parâmetros que definem um sistema de coordenadas local.

Escala Criar projeções do globo terrestre num plano significa que cada ponto do elipsóide ou esfera é projetado em uma superfície plana. Esta superfície -o mapa - pode ser apresentada em diferentes escalas. Definição: relação entre as dimensões dos elementos representados em um mapa e a grandeza correspondente, medida sobre a superfície da Terra. Escala numérica: descritas por frações cujos denominadores representam as dimensões naturais e os numeradores, as que lhes correspondem no mapa. Ex: A escala de 1 para (1:50.000)

Sistemas de coordenadas Um objeto geográfico somente poderá ser localizado se tiver sua localização determinada em uma rede coerente de coordenadas. Quando se dispõe de um sistema de coordenadas fixas, pode-se definir a localização de qualquer ponto na superfície terrestre. Tipos: sistemas de coordenadas geográficas ou terrestres sistemas de coordenadas planas ou cartesianas

Geográficas ou terrestres: cada ponto da superfície terrestre é localizado na interseção de um meridiano com um paralelo. Meridianos: círculos máximos da esfera cujos planos contêm o eixo dos pólos. Paralelos: círculos da esfera cujos planos são perpendiculares ao eixo dos pólos.

Geográficas ou terrestres: um ponto na superfície terrestre é representado por um valor de latitude e longitude. Latitude: é a distância angular entre um ponto qualquer da superfície terrestre e a linha do Equador. Longitude: é a distância angular entre um ponto qualquer da superfície terrestre e o meridiano de origem.

Planas ou cartesianas: Sistema de coordenadas geográficas não é conveniente para calcular distâncias ou áreas. Este sistema baseia-se na escolha de dois eixos perpendiculares (horizontal e vertical) cuja interseção é denominada origem. Origem é base para a localização de qualquer ponto do plano. Um ponto é representado por dois números: projeção sobre o eixo x (associado à longitude), e projeção sobre o eixo y (associado à latitude).

Projeções Cartográficas Mapas são representações aproximadas da superfície terrestre, que projetam cada ponto do globo em uma superfície plana. Para se obter essa correspondência, utilizam-se os sistemas de projeções cartográficas. Classificação das Projeções por tipo de superfície de projeção: Projeção Azimutal Projeção Cônica Projeção Cilíndrica

Projeção Azimutal: Construído sobre um plano tangente a um ponto qualquer da esfera terrestre. Este ponto ocupa sempre o centro do mapa. É usada para representar as regiões polares e suas proximidades e para localizar um país na posição central.

Projeção Cônica: O mapa é inicialmente projetado sobre um cone tangente ou secante à superfície terrestre e é em seguida “desenrolado” sobre um plano. Os meridianos são retas que convergem em um ponto (que representa o vértice do cone). Os paralelos são circunferências concêntricas a esse ponto.

Projeção Cilíndrica: Projeção é imaginada sobre um cilindro. Os meridianos e os paralelos são representados por linhas perpendiculares.

Mapas e Cartas Mapa: não tem caráter científico especializado, sendo destinado a fins culturais, ilustrativos ou mesmo comerciais. Cartas: representação dos aspectos naturais ou artificiais da Terra, permitindo a avaliação precisa de distâncias, direções e a localização geográfica de pontos, áreas e detalhes. Em outros contextos, os termos “mapa” e “carta” são utilizados indistintamente.

Descrição geral de SIGs Sistemas automatizados usados para armazenar, analisar e manipular dados geográficos. Dados geográficos: representam objetos e fenômenos em que a localização geográfica é uma característica inerente à informação e indispensável para analisá-la. Ex: para cada lote num cadastro urbano o SIG guarda: informação descritiva: proprietário e valor do IPTU informação geométrica: coordenadas dos limites do lote.

Principais características de SIGs: Possibilitam a integração, num único BD, de informações geográficas provenientes de fontes diversas. Oferecem mecanismos para recuperar, manipular e visualizar estes dados, através de algoritmos de manipulação e análise.

Componentes de um SIG Cada sistema implementa estes componentes de forma distinta, mas todos estão usualmente presentes num SIG. (*) Fonte: [2]

Componentes de um SIG Interface: define como o sistema é operado e controlado. Entrada e integração de dados: compreende as operações a serem aplicadas antes da utilização dos dados. Por exemplo os mecanismos de conversão de dados. Consulta e análise espacial: seleção e pesquisa sobre informações geográficas, transformações de escala ou projeção, sobreposição de camadas de dados e execução de operações espaciais; Visualização e plotagem: apresentação gráfica dos resultados de consultas e análises espaciais de maneira que o usuário possa interpretar facilmente tais resultados; Gerência dados espaciais: oferece armazenamento e recuperação dos dados espaciais e atributos.

Paradigma dos quatro universos: É usado para produzir as representações computacionais do espaço geográfico. Distingue quatro passos entre o mundo real e sua realização computacional.

Universo Ontológico: Que classes de entidades são necessárias para descrever o problema que estamos estudando? Universo Formal: Quais são as abstrações formais necessárias para representar os conceitos de nosso universo ontológico? Universo Estrutural: Quais são os tipos de dados e algoritmos necessários para representar os modelos e as álgebras do universo formal? Universo de Implementação: Implementação dos sistemas, fazendo escolhas como arquiteturas, linguagens e paradigmas de programação.

O universo ontológico Geo-ontologia: Conjunto de conceitos e um conjunto de relações semânticas e espaciais entre estes termos. Conceitos: tem um nome, uma definição e um conjunto de atributos. Relações semânticas: incluem as relações de similaridade e hiponímia (também dito especialização: “hospital é um tipo de prédio”). Relações espaciais: incluem as relações topológicas como pertinência e adjacência, relações direcionais como “ao norte de”, e relações informais como “no coração de” ou “perto de”.

Geo-ontologia: Conceitos físicos: correspondem a fenômenos físicos do mundo real. Ex: A Amazônia possui uma floresta tropical. Conceitos sociais: criados para representar entidades sociais e institucionais. Ex: Esta é uma reserva indígena. Conceitos associados a entidades que podem ser individualizadas e identificadas nominalmente. Ex: lagos e lotes. Conceitos que variam de forma contínua no espaço. Ex: poluição.

Os conceitos físicos e sociais podem ser subdivididos em:

O universo formal Componente intermediário entre os conceitos do universo ontológico e as estruturas de dados. Tem duas partes: (a) como medir o mundo real (teoria da medida); (b) como generalizar os conceitos da ontologia em entidades formais abrangentes. Tópicos: Teoria da medida Espaço absoluto e espaço relativo Modelos no espaço absoluto: geo-campos e geo-objetos Modelos no espaço relativo: redes

Atributos de dados geográficos: teoria da medida Processo de medida: consiste em associar números ou símbolos a diferentes ocorrências de um mesmo atributo. Escalas de medida: Nominal: classifica objetos em classes distintas sem ordem inerente, como rótulos que podem ser qualquer símbolo. Ex: Cobertura do solo, com rótulo como “floresta”, “área urbana” e “área agrícola”. Ordinal: introduz a ordenação, caracterizando os objetos em classes que possuem uma ordem natural (1 – ruim, 2 – bom, 3 – ótimo ou “0-10%”, “11-20%”, “mais que 20%”). Ex: A aptidão agrícola de solos, com rótulos como “muito apto”, “apto”,“pouco apto”, e “inapto”.

Intervalo: possui um ponto zero arbitrário, uma distância proporcional entre os intervalos e medidas entre menos infinito e infinito. Ex: A temperatura em graus Celsius onde o ponto zero corresponde a uma convenção (a fusão do gelo em água). Razão: permite um tratamento analítico da informação. O ponto de referência zero não é arbitrário, mas determinado por alguma condição natural. Ex: Na descrição de atributos como peso e volume de objetos não há valores negativos.

Espaço absoluto e espaço relativo Espaço absoluto: possibilidade de representar no computador a localização dos objetos no espaço. Espaço relativo: possibilidade de representar apenas o posicionamento relativo entre os objetos. (*) Fonte: [2]

Modelos no espaço absoluto: Modelo de geo-campos Enxerga o espaço geográfico com uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos a serem observados. Para cada ponto do espaço, um campo terá um valor diferente. Ex: um mapa de vegetação associa a cada ponto do mapa um tipo específico de cobertura vegetal. Pode ser especializado em: Geo-campo temático: associado a medidas nominais ou ordinais. Ex: um mapa de solos. Geo-campo numérico: associado a medidas por intervalo ou por razão. Associa a cada ponto um valor real.

Modelos no espaço absoluto: Modelo de geo-objetos Representa o espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis, onde cada entidade é definida por uma fronteira fechada. Ex: um cadastro urbano identifica cada lote como um dado individual, com atributos que o distinguem dos demais. Modelos no espaço relativo: redes Concebe o espaço geográfico como um conjunto de pontos no espaço (nós), conectados por linhas (arcos), onde tanto os nós quanto os arcos possuem atributos. Ex: gerenciamento de serviços como água, eletricidade e telefonia, linhas de comunicação e acessibilidade, etc.

Universo estrutural Definimos tipos de dados necessários para representar modelos do universo formal. Tópicos: Estruturas de dados vetoriais Vetores e topologia: o caso dos geo-objetos Vetores e topologia: o caso das redes Representação matricial

Estruturas de dados vetoriais São utilizadas para representar as coordenadas das fronteiras de cada entidade geográfica. Isso é feito através de três formas básicas definidas por suas coordenadas cartesianas. Pontos: par ordenado (x, y) de coordenadas espaciais. Linhas: conjunto de pontos conectados. Áreas (ou polígonos): região do plano limitada por linhas poligonais conectadas.

Vetores e topologia: o caso dos geo-objetos É útil determinar relações como adjacência (“vizinho de”), intersecção, e cruzamento. Objetos de área podem ter duas formas diferentes de utilização: como objetos isolados ou objetos adjacentes. Objetos isolados: edificações e piscinas (em SIG urbanos). Objetos adjacentes: bairros, municípios e outros. Armazenamento das estruturas de dados do tipo polígono no caso de objetos adjacentes: polígonos sem topologia: guardar as coordenadas de cada objeto isoladamente. topologia arco-nó-polígono: armazenar cada fronteira comum uma única vez, indicando a que objetos elas estão associadas.

Topologia arco-nó-polígono Requer três listas separadas. Para cada linha, armazenamos os nós inicial e final, permitindo assim que a linha esteja associada a um sentido de percorrimento. Para polígonos, guardamos as linhas que definem sua fronteira. (*) Fonte: [2]

Vetores e topologia: o caso das redes Objetos de linha podem ter variadas formas de utilização. Analogamente aos objetos de área podemos ter objetos de linha: Isolados: representação de muros e cercas em mapas urbanos. Em árvore: representações de rios e seus afluentes, redes de esgotos e drenagem pluvial. Em rede: redes elétricas, telefônicas e de água. No caso das redes é fundamental armazenar relações de adjacência: utilizamos a topologia arco-nó. Cada nó é um ponto de intersecção entre duas ou mais linhas. Nenhuma linha poderá estar desconectada das demais para que a topologia da rede possa ficar totalmente definida.

Hierarquia de classes para estruturas vetoriais: Relacionamentos de especialização (is-a); Inclusão de uma instância (part-of); Inclusão de um conjunto de instâncias (set-of); Inclusão de uma lista de identificadores de instância (list-of). (*) Fonte: [2]

Estrutura matricial: O espaço é representado como uma matriz P(m, n) composto de m colunas e n linhas, onde cada célula possui um número de linha, um número de coluna e um valor correspondente ao atributo estudado. Supõe que o espaço pode ser tratado como uma superfície plana, onde cada célula está associada a uma porção do terreno. A resolução do sistema é dada pela relação entre o tamanho da célula no mapa ou documento e a área por ela coberta no terreno.

A estrutura matricial pode ser utilizada para representar diferentes tipos de dados: Grade regular: representação matricial na qual cada elemento da matriz está associado a um valor numérico. Matriz temática: representação matricial 2D na qual cada valor da matriz é um código correspondente à uma classe do fenômeno estudado.

Universo de implementação No universo de implementação, são tomadas as decisões concretas de programação e que podem admitir número muito grande de variações. Estas decisões podem levar em conta as aplicações às quais o sistema é voltado, a disponibilidade de algoritmos para tratamento de dados geográficos e o desempenho do hardware.

Operadores sobre dados espaciais Baseados no Modelo de 9 Intersecções de Egenhofer. É definido um conjunto de relacionamentos topológicos (R) entre duas feições geográficas (A e B). Baseia-se na comparação entre o interior de A (A˚), o limite de A (∂A), o exterior de A (A−) com o interior de B (B˚), o limite de B (∂B) e o exterior de B (B−). Essas seis partes de um feição geográfica podem ser combinadas em nove operações:

Operadores sobre dados espaciais Baseado no modelo das nove intersecções foram definidas algumas operações topológicas entre feições geográficas. Algumas das operações não se aplicam a todos os tipos de geometria. (A – Polígonos, L – Linhas e P – Pontos) Toca (Touches): Verifica se uma geometria toca a outra em algum ponto (A/A, L/L, L/A, P/A, P/L). Cruza (Crosses): Verifica se uma geometria cruza a outra (P/L, P/A, L/L, L/A). Dentro de (Within): Verifica se uma geometria está dentro de outra (A/A, L/L, A/L, A/P, L/P). Sobrepõe (Overlaps): Verifica se uma geometria sobrepõe a outra (A/A, L/L, P/P).

Operadores sobre dados espaciais Contém (Contains): Verifica se uma geometria contém a outra (A/A, L/L, A/L, L/P, A/P). Disjunto (Disjoint): Verifica se duas geometrias estão separadas (A/A, L/L, A/L, L/P, A/P, P/P). Intersecta (Intersects): Testa se uma geometria intersecta a outra de alguma forma (A/A, L/L, L/P, A/L, A/P, P/P). Igualdade (Equals): Testa se duas feições geográficas são iguais (A/A, L/L, P/P). Relacionamento (Relate): Verifica duas geometrias estão espacialmente relacionadas (algum relacionamento espacial é satisfeito de acordo com a aplicação de algum dos operadores).

Abordagem prática Comparação dos componentes espaciais de dois SGBDs: Oracle: Oracle Spatial Sistema comercial PostgreSQL: PostGIS Sistema de domínio público

Abordagem prática Oracle Spatial: Utiliza o modelo objeto-relacional do Oracle. Permite armazenar, acessar e analisar dados espaciais em um banco de dados Oracle. Seu modelo de dados consiste em uma estrutura hierárquica de elementos, geometrias e camadas: Camadas: compostas por geometrias. Geometrias: compostas por elementos. Elementos: podem ser do tipo Point, LineString ou Polygon. Uma geometria pode ser formada por um único elemento ou por um conjunto homogêneo (MultiPoint, MultiLinesString ou MultiPolygon) ou heterogêneo (Collection) de elementos.

Abordagem prática Oracle Spatial: Cada geometria é armazenada em um objeto chamado SDO_GEOMETRY. Este objeto contém a geometria em si, suas coordenadas, e informações sobre seu tipo e projeção. Em uma tabela espacial, os atributos alfanuméricos da geometria são definidos como colunas de tipos básicos (e.g. VARCHAR2, NUMBER) e a geometria, como uma coluna do tipo SDO_GEOMETRY.

Abordagem prática PostGIS: Habilita o servidor de PostgreSQL com capacidades espaciais, permitindo a ele ser usado como um banco de dados espacial para desenvolvimento de aplicações de SIG. Foi desenvolvido pela Refractions Research Inc como um projeto de pesquisa de código fonte aberto na área de BDs espaciais. É possível definir os tipos de dados espaciais de acordo com a necessidade do usuário e utilizar a operações espaciais para manipular os dados geográficos. Possibilita a utilização de operações espaciais que geram outras geometrias: criação de zonas de buffer, união de geometrias, verificação de diferenças, entre outras.

Resumindo: Extensão de acordo com ISO SQL/MM e OGC Simple Feature Specification for SQL Componente desenvolvido por terceiros mas com total compatibilidade Extensão baseada em OGC Simple Feature Specification for SQL

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. SDO_GEOMETRY CREATE TYPE sdo_geometry AS OBJECT ( SDO_GTYPE NUMBER, SDO_SRID NUMBER, SDO_POINT SDO_POINT_TYPE, SDO_ELEM_INFO SDO_ELEM_INFO_ARRAY, SDO_ORDINATES SDO_ORDINATE_ARRAY);

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. SDO_GTYPE: Indica o tipo da geometria. Tem o formato dltt, onde: d indica o número de dimensões (2, 3, or 4) l indica o sistema de referência lineal (LRS). Para uma geometria que não seja LRS especificamos 0. tt indica o tipo de geometria (00 até 07, com 08 até 99 reservadas para uso futuro). dl00 - UNKNOWN_GEOMETRY dl01 - POINT dl02 - LINE or CURVE dl03 - POLYGON dl04 - COLLECTION dl05 - MULTIPOINT dl06 - MULTILINE or MULTICURVE dl07 - MULTIPOLYGON

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. SDO_SRID: É usado para identificar um sistema de coordenadas que será associado com a geometria. Se não for null, deve conter um valor da coluna SRID da tabela SDO_COORD_REF_SYS. SDO_POINT: CREATE TYPE sdo_point_type AS OBJECT ( X NUMBER, Y NUMBER, Z NUMBER);

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. SDO_ELEM_INFO: CREATE TYPE sdo_elem_info_array AS VARRAY ( ) of NUMBER; Ajuda a entender como interpretar os elementos guardados no atributo SDO_ORDINATES. Tem três elementos: SDO_STARTING_OFFSET: Indica a posição no SDO_ORDINATES array onde começa o elemento. SDO_ETYPE: Ex: 1 para tipo ponto, 2 para linha, SDO_INTERPRETATION: Serve para complementar a informação do tipo Exemplo: para o caso de uma linha indica se ela é composta por uma seqüência de linhas retas (1) ou de arcos circulares (2).

SDO_ELEM_INFO = (1,1003,1, 19,2003,1) 19: indica que a especificação do segundo começa na posição 19 do SDO_ORDINATES. 1003: exterior polygon ring; 2003: interior polygon ring. 1: polígono simples. SDO_ORDINATES = (2,4, 4,3, 10,3, 13,5, 13,9, 11,13, 5,13, 2,11, 2,4, 7,5, 7,10, 10,10, 10,5, 7,5).

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. SDO_ORDINATES: CREATE TYPE sdo_ordinate_array AS VARRAY ( ) of NUMBER; Guarda os valores das coordenadas.

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. Exemplo de ponto: SDO_GEOMETRY( 2001, --ponto NULL, --não indica o sistema de coordenadas SDO_POINT_TYPE( , ,NULL), NULL, NULL)

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. Exemplo de linha: SDO_GEOMETRY( 2002, --linha NULL, --não indica o sistema de coordenadas NULL, --não é de tipo ponto SDO_ELEM_INFO_ARRAY(1,2,1), --tipo linha, linhas retas SDO_ORDINATE_ARRAY(1,1, 5,1)));

Criação de objetos espaciais no Oracle Spatial. Exemplo de polígono (retângulo): SDO_GEOMETRY( 2003,--polígono de duas dimensões NULL, SDO_ELEM_INFO_ARRAY(1,1003,3), -- um retângulo SDO_ORDINATE_ARRAY(1,1, 5,7) -- coordenada superior direita -- e inferior esquerda

Criação de objetos espaciais no PostGIS: A especificação OpenGIS define um padrão de objeto espacial de expressão: a forma Well-Known Text (WKT). Essa forma inclui informação sobre o tipo do objeto e as coordenadas de posicionamento do objeto. É uma forma de representação em formato textual de geometrias utilizando uma gramática específica. O WKT é uma cadeia de caracteres composta de palavras chaves que determinam a forma da geometria a ser representada Exemplos: POINT(0 0) LINESTRING(0 0,1 1,1 2) POLYGON((0 0,4 0,4 4,0 4,0 0),(1 1, 2 1, 2 2, 1 2,1 1))

Referências [1] ANATOMIA DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA – Câmara, Casanova, Hemerly, Magalhães, Medeiros. [2] Bancos de Dados Geográficos - Câmara, Casanova, Davis, Vinhas, Ribeiro. [3] GIS: DOS CONCEITOS BÁSICOS AO ESTADO DA ARTE – Davis [4] Oracle® Spatial User's Guide and Reference 10g Release 2 (10.2) – Chuck Murray [5] Manual PostGIS da versão 1.2.2SVN

IN1008 – Projeto Conceitual de BD

Apresentações semelhantes

Apresentação em tema: "IN1008 – Projeto Conceitual de BD"— Transcrição da apresentação:

Apresentações semelhantes

Sobre projeto

Feedback

Login

Autorizar-se através da rede social:

IN1008 – Projeto Conceitual de BD

Apresentações semelhantes

Apresentação em tema: "IN1008 – Projeto Conceitual de BD"— Transcrição da apresentação:

Apresentações semelhantes

Sobre projeto

Feedback