BANCOS DE DADOS GEOGRÁFICOS AUGUSTO FERREIRA PRISCILA MARANGONI RODRIGO DANIEL LENGLER THIAGO AZIZO DENARDI IBAGY INE 5616 – Banco de Dados II.

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1 BANCOS DE DADOS GEOGRÁFICOS AUGUSTO FERREIRA PRISCILA MARANGONI RODRIGO DANIEL LENGLER THIAGO AZIZO DENARDI IBAGY INE 5616 – Banco de Dados II

2  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

3  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 ?”

4 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.

5 BD GEOGRÁFICO Conceito e Manipulação dos Dados  BD 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.

6 BD GEOGRÁFICO Vantagens  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

7 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.

8 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.

9 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

10 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

11 Modelo de Representação de dados espaciais Representação do espaço Vector Raster ou Matricial

12 Modelo de representação de dados espaciais Matricial Estrutura de uma matriz:

13 Modelo de representação de dados espaciais Vetorial

14 Estruturas de Dados Vetoriais Arcos e NósPolígonos Ilha (tipo especial de polígono)

15 Para que serve um polígono? Setores censitários em São José dos Campos - SP

16 Modelo de Dados Conjunto de conceitos usados para descrever a estrutura e operações em um banco de dados Busca sistematizar o entendimento de objetos e fenômenos que serão representados em um sistema informatizado Modelo de dados conceitual – técnica utilizada para modelar um banco de dados Esquema conceitual – resultado de uma modelagem (conjunto de diagramas em um determinado modelo conceitual)

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

18 Modelagem Conceitual de Dados Geográficos Modelos tradicionais (ER, OMT, UML) são largamente utilizados, mas apresentam limitações à modelagem de dados geográficos Diversas 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)

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

20 Modelo de dados OMT-G Object Modeling Technique for Geographic Applications Baseado em primitivas definidas para o diagrama de classes UML Introduz primitivas geográficas – melhor capacidade de representação semântica do espaço Modelagem 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)

21 Modelo de dados OMT-G Cobre os níveis de representação conceitual e apresentação Propõe o uso de três diagramas: Classes Transformação Apresentação

22 Diagrama de Classes Contém as classes especificadas junto com suas representações e relacionamentos Definição de restrições de integridade espaciais Possibilidade de especificação de múltiplas representações ou derivação a partir de outra classe

23 Classes Classe 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-objeto Classe convencional – possui propriedades, comportamento e relação com objetos espaciais, mas não possui propriedades geográficas A diferenciação entre classes georreferenciadas e convencionais permite o compartilhamento de dados não espaciais, facilitando o desenvolvimento de aplicações integradas e reuso de dados

24 Classes – Notação Gráfica

25 Classes Georreferenciadas Geo-campos Representam objetos e fenômenos distribuídos continuamente no espaço (Ex. tipo de solo, relevo, geologia, etc.)

26 Classes Georreferenciadas Geo-objetos Objetos 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)

27 Classes Georreferenciadas Geo-objetos

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

29 Relacionamentos – Notação Gráfica

30 Cardinalidade Mesma notação usada na UML

31 Generalização e especialização

32 Agregação Associação entre objetos onde se considera que um deles é formado a partir de outros Pode ocorrer entre uma classe georreferenciada e uma convencional Mesma notação UML Agregação espacial: relacionamentos topológicos “todo- parte” – união da geometria das partes forma a geometria do todo

33 Generalização conceitual Série de transformações realizadas sobre a representação da informação espacial para melhorar a legibilidade e compreensão dos dados pelo usuário Um 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 polígono Superclasse não tem representação específica, deve ser especificada nas subclasses Subclasses podem herdar atributos alfanuméricas da superclasse e também ter atributos próprios Pode ocorrer de acordo com a forma geométrica ou de acordo com a escala

34 Generalização conceitual

35 Diagrama de transformação Notação semelhante aos diagramas de estado e atividades da UML Especificação de transformações entre representações de classes

36 Diagrama de apresentação Determinação do aspecto visual Define parâmetros como cor, tipo de linha, espessura de linha, padrão de hachura de geo-objetos e geo- campos

37 Exemplo de modelagem – Diagrama de classes OMT-G

38 Ferramenta CASE Extensão do Microsoft Visio para construir esquemas no modelo OMT-G

39 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

40 Arquitetura Dual e a Arquitetura Integrada  Arquitetura Dual

41 Arquitetura Dual e a Arquitetura Integrada  Arquitetura Integrada

42 Relacionamentos Topológicos  Os 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.

43 Relacionamento Topológico Modelo 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.

44 Consultas Espaciais Segundo Brinkhoff et al. (Brinkhoff et al.) as consultas espaciais podem ser classificadas em: Seleção espacial; Junção espacial;

45 Métodos de acesso  Métodos 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).

46 Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos 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

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48  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. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

49  O modelo para armazenar dados geográficos proposto pela TerraLib é formado 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. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

50  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. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

51 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. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

52  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 binário longo (BLOB). Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

53  A TerraLib propõem um modelo para armazenar e manipular dados matriciais baseado 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 evita acessos desnecessários, pois, nos níveis da pirâmide onde a resolução é degradada, menos blocos são recuperados. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

54  O TerraView é um aplicativo construí­do 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 polí­gonos) e matriciais (grades e imagens), ambos armazenados em SGBD relacionais ou geo-relacionais de mercado, incluindo ACCESS, PostgreSQL, MySQL e Oracle. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

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57  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. Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados Geográficos

58 <? $t = TerraWeb(); if(!$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

59 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.

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62 http://www.digital.santos.sp.gov.br/ Estudo de Caso

63 Bibliografia Tutorial 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.