Sumárioronaldo/ine5342/bdg.pdf · 1 Sumário 1 Introdução – Aplicações Não -Convencionais 2...

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Sumário

1 Introdução – Aplicações Não-Convencionais2 BD Orientado a Objetos e Objeto-Relacional3 BD Temporal4 BD Geográfico5 XML e Banco de Dados

Banco de Dados Geográfico• BD convencional

– dados possuem atributos alfanuméricos que descrevem as suas características (atributos convencionais)

• BD geográfico– dados possuem

• atributos convencionais• atributos que descrevem a sua forma, indicam a sua

localização na Terra (sobre/sob) e a sua validade

– repositório de fenômenos do mundo real que são geo-referenciados

– é componente de um SIG (Sistema de Informação Geográfica) – ou GIS

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SIG• Sistema utilizado para armazenar, analisar e

manipular dados geográficos• Diversos enfoques

– sistema de processamento de transações• ênfase na manipulação de dados

– exemplo: cadastro urbano

– sistema de suporte à decisão• ênfase em análises complexas, simulações e

tendências– exemplo: gestão de tráfego

– sistema de monitoração• análise de variáveis em áreas geográficas

– exemplo: nível dos rios, poluição do ar

Arquitetura de um SIGInterface

com o Usuário

Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

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Arquitetura de um SIGInterface

com o Usuário

Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• interface gráfica (menus, ícones, ...)• permitir visualização de mapas e de

atributos associados ao terreno• permitir manipulações de mapas e atributos

- consultas e atualizações- análises espaciais- configurar parâmetros de visualização

(escala, layers, ...)

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com o Usuário

Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• baseia-se em mapas obtidos viatécnicas de sensoriamento remoto

- técnicas para registro de característicasdo terreno sem haver contato entre osensor e os objetos do terreno

- exemplos: * sensores em satélites

- captação baseada na quantidade e freqüência da luz

* fotografias aéreas (fotogrametria)- fotos seqüenciais do terreno

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Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• quatro formas principais de entrada de dados:

- caderneta de campo- digitalização em mesa- digitalização ótica- leitura de dados

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Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• caderneta de campo- levantamento (por escrito) de dadosdo terreno (topografia, tipo de solo, ...)

- inserção manual no BDG- uso de GPS garante maior precisãoda localização dos dados

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Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• GPS- Global Positioning System- sistema baseado em satélites para medição de coordenadas e alturaem qualquer ponto da Terra

- para maior precisão, a localização édeterminada em função de informações obtidas de mais de um satélite

- variam em precisão e funcionalidade:* transformações entre sistemas de

coordenadas* visualização de mapas* inclusão de objetos . . .

Arquitetura de um SIGInterface

com o Usuário

Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• digitalização em mesa- uso de uma mesa digitalizadora

* trabalha sobre um mapa impresso- processo custoso e demorado

* digitalização de linhas, ajuste denós, identificação de atributosdo terreno, ...

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Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• digitalização ótica- uso de scanners- processo semi-automático

* utiliza algoritmos de conversãopara o formato vetorial

* pode requerer correção manual

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Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• leitura de dados- importação e/ou integração de grandes volumes de dados coletadose cadastrados por instituições* INPE, centros de cartografia

do Exército, ...

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com o Usuário

Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• análise geo-espacial• processamento digital de imagens

- operações de contraste, realce de cores, ...• modelagem numérica do terreno

- geração de mapas de declividade, cálculo de volumes, ...• operações sobre redes

- caminhos ótimos, inclusão de nós, ...

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Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• componente responsável porapresentações gráficas

- controla a visualização de imagens de mapas 2D/3D e/ou vetorial

- resultados analíticos (gráficos de linhas ou de barras, distribuição de umfenômeno – pontos de ocorrência, ...)

- plotagem (impressão)* definição da área a ser impressa* colocação de legendas, textos explicativos e medidas

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Entrada e Integração de Dados

Funções de Processamento

Visualização e Plotagem

Armazenamento e Recuperação

BDG

• BDG- definição, armazenamento e manipulação de dados geográficos

Dado Geográfico • Dado espacial

– possui uma dimensão espacial • 2D: linear, poligonal, ... • 3D: sólido • exemplos: estrutura atômica, peça mecânica, ...

• Dado geográfico– é um dado espacial geo-referenciado

• possui uma localização sobre a superfície terrestre em um certo instante ou intervalo de tempo

• exemplos: área urbana 2D, área de relevo 3D, ...

– componentes• convencional, espacial, pictórico e temporal

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Dado Geográfico - Componentes• Componente convencional

– propriedades alfanuméricas

código: Lg 425tipo: praçanome: XV de novembrodescrição: . . .

Dado Geográfico - Componentes• Componente espacial

– propriedades de localização geo-espacial

forma: poligonoFechadolocalização: {

L1: (78,53),(86,73),. . .L6: (88,46), (78,53)}

fronteiras: {(Lg 426, L6),(Lg 067, {L1, L2})...

}

L1

L2

L5L6

L3

L4

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Dado Geográfico - Componentes• Componente pictórico

– propriedades gráficas (imagens)

imagem: FpolisCentro.jpg

tamanho: 520K

referência: {P1: (27o35’ S, 45o50’ W)P2: (27o18’ S, 45o01’ W)}

Dado Geográfico - Componentes• Componente temporal

– propriedades relativas à validade do dado

dataColeta: 27/05/03válidoPor: 2 anos

OU

TI: 27/05/03TF: 27/05/05

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Modelos de Dados Geográficos • BDG suporta dois modelos complementares

– modelo de campo

– modelo de objeto

• Modelo de campo (modelo raster)

– região geográfica é vista como uma superfície contínua

– cada ponto da região descreve uma ou mais propriedades do terreno

– ênfase na análise de características do terreno e não na identificação de objetos neste terreno

• representação de layers

Modelo de Campo - Raster• Exemplo

– modelagem de layers relevo e vegetação

relevo: planíciealtitude: 5mvegetação: arbusto

relevo: planíciealtitude: 15mvegetação: duna

relevo: planaltoaltitude: 350mvegetação: floresta

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Modelo de Campo - Raster

• Célula– conjunto de um ou mais pixels

– define uma área na qual todos os pontos do terreno possuem as mesmas propriedades

• permite a modelagem de áreas relevantes da região geográfica

– abstração de características comuns de vários pontos do terreno em um único conceito (célula)

– células em geral são homogêneas • possuem a mesma forma, área e são contíguas• facilita a determinação dos seus limites

Modelo de Campo - Células

relevo: planíciealtitude: 15mvegetação: duna

relevo: planaltoaltitude: 300mvegetação: floresta

relevo: planaltoaltitude: 370mvegetação: floresta

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Modelo de Objeto • Também chamado de modelo vetorial• Características

– região geográfica é vista como uma superfície ocupada por objetos geométricos identificáveis, não necessariamente disjuntos

• objetos pontuais, lineares, poligonais, ou mesmo uma combinação destes elementos geométricos

– objetos não estão necessariamente associados a características do terreno

– ênfase na identificação de objetos no terreno e não na análise de propriedades contínuas no terreno

Modelo de Objeto - Vetorial• Exemplo

– mapa urbano

mercado público

rua dos ilhéus

clube 12 de agosto

peixaria Guimarães

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Campos e Objetos • Podem ter múltiplas representações

– depende de fatores de escala ou visões desejadas por diferentes aplicações

• exemplo: célula ou polígono transforma-se em ponto

– problemas• modelagem mais complexa, comportamentos

diferentes em função da representação

• Possuem relacionamentos topológicos– exemplos

• A vizinho B (de células e objetos), A contido em B, A disjunto B, ...

Mapa Temático (Layer)• Ênfase na análise contínua de um tema

– exemplos: vegetação, uso do solo, ...

• Região geográfica – pode estar particionada em polígonos (vetorial)

• cada polígono engloba um valor dentro do tema

– pode ser uma imagem raster• variações no tema: cor, intensidade de brilho, ... do pixel

uso do solocafé

alface

milho

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Redes• Ênfase na identificação de recursos que fluem

na região geográfica– redes de utilidade pública (água, luz, telefone, ...)

– representação na forma de grafo• noção de arco (pode ser orientado) e nó (ligação)

rede telefônica

caixa terminalponto de linhanó na rede

Modelos Numéricos do Terreno• Ênfase na análise numérica de uma

característica que varia continuamente– exemplos: mapas topográficos e demográficos

• Formas de representação– isolinhas

• linhas rotuladas com o valor da característica• valores de pontos fora das linhas são estimados

– grades• áreas com um valor estimado da característica• formas retangulares ou triangulares

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Modelos Numéricos do Terreno

300

0

350370

10

15

mapa topográficoem isolinhas

505849175723

54655971756847

23706963346923

114267373173483711

637831255887865741

697927225285989774

69202259986449

71337477

40886782

516022

mapa demográficoem grade retangular

0

BD Queimadas - INPE • www.dpi.inpe.br/proarco/bdqueimadas• Consultas

– qual o estado brasileiro com o maior número de focos de queimadas no momento (captados pelo satélite NOAA 12 Noite) e a quantidade de focos? (visualize também os focos graficamente)

– qual o município do Maranhão com maior número de focos?– qual é o satélite que consegue captar mais focos no Brasil inteiro?– qual o tipo de vegetação que apresentou o maior número de focos

na segunda quinzena de outubro?– qual é o estado brasileiro com maior número de focos ocorrendo

em vegetação Ombrofila Aberta e o município campeão em número de focos neste estado?

– qual o total de focos por semana no mês de novembro de 2003 no estado do Pará?

– visualize as áreas de desmatamento nos anos de 2000 e 2001 nos municípios que são capitais de estados da região Norte do Brasil

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Operações em um BDG

• Análise geo-espacial• Atualização de dados• Consulta a dados• Visualização de dados

Análise Geo-Espacial • Conjunto de funções aplicadas sobre um

mapa ou objetos deste mapa– principal diferencial operacional em relação a

outros BDs não-convencionais

• Finalidades das operações de análise– validação da entrada de dados

– transformação do mapa ou de seus objetos

– existência de relacionamentos topológicos

– busca de informação geométrica e/ou estatística

– visualização de mapas

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Classificação de Operações • Captura

– validam um processo de digitalização e vetorização de um mapa

• Transformação– produzem novos mapas como resultado

• Topológicas– analisam a existência de relacionamentos topológicos

• Métricas– realizam processamentos baseados no conceito de

distância

• Estatísticas– produzem valorações (analisam tendências) baseadas em

propriedades convencionais, espaciais e/ou temporais

Captura - Exemplos

• Detecção de erros– validação de um processo de vetorização

• arcos sem conexão, polígonos não-fechados, ...

• Combinação de mapas– ajuste (da topologia) de bordas de mapas que

representam regiões vizinhas

• Junção– definição de objetos complexos a partir de

objetos mais simples• exemplo: polígono formado por pontos ou linhas

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Transformação – Exemplo 1

• Mudança de escala– dados vetoriais

• técnicas de generalização– substituição de pares de pontos vizinhos pelo ponto médio

– dados raster• técnicas de agregação

– geração de células a partir da junção de células menores

Transformação – Exemplo 2

• Overlaying (cobertura)– sobreposição de um ou mais temas

• deseja-se uma análise de correlações, tendências, ...

– dados raster• overlay centrado na localização

– valor da célula resultante é uma função dos valores das células dos temas combinados

• overlay centrado no tema– mantém-se as células definidas para um certo tema, sendo

os valores dos demais temas estimados no contexto destas células

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Overlaying - Exemplos

floresta

campo

cerrado

Vegetação

Altitude

500m

700m

overlay delocalização

floresta com 500m

campo com 500m

cerrado com 500m

cerrado com 700moverlay do tema

Vegetação

floresta – altitudemédia: 500m

campo – altitudemédia: 500mcerrado – altitudemédia: 600m

Operações Topológicas • Importante categoria analítica

– base para várias consultas geográficas• verificação de relacionamentos espaciais

• Topologia– estudo das propriedades geométricas que

permanecem invariantes sob deformação• independem de fatores como escala, projeção, etc

– projeção: representação da superfície terrestre sobre uma superfície plana

» produz deformação

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Operações Topológicas • Operações sobre objetos geométricos

– definidos a partir das noções de fronteira e interior

A B A BA B

A disjunto B ?

A B A BA B

A adjacente (toca) B ?

BA

A B

A sobrepõe B ?

BA A

ABB A B

Operações Topológicas - Exemplos A A B

A

B

B está contido em / cobre A ?

A

B B cruza A ?B

A

B

AB

B acima (N) / abaixo (S) / ao lado (L/O/ Esq / Dir) de A ?

B

A

A

B A

B

A A BA

B

B sobre / sob A ?

B

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Operações Métricas

• Baseadas na noção de distância sobre um sistema de coordenadas

• Tipos de retorno– valores numéricos

• exemplo: distância

– objetos geográficos• exemplo: raio de alcance

Operações Métricas - Exemplosdistância A-B

A Acomprimento/perímetro A

B

AA B

área/volume A

A B

CB

caminho ótimo A →→B

Ar

A A

raio de alcance

A B

A B

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Operações Estatísticas • Análise de propriedades convencionais

associadas a uma região geográfica • Exemplos

– contagem de freqüência e histograma• distribuição de valores

– análise de correlação• comparação de propriedades em uma região

– análise de dispersão• análise de distribuição de um fenômeno

em uma região

população

regiãoSE SCE

209937805876Alugado

689834561544Próprio

< 5000< 2500< 1000Imóvel

ocorrências de crimes

Operações em um BDG• Análise geo-espacial• Atualização de dados• Consulta a dados• Visualização de dados

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Atualização de Dados Geográficos

• Modificação de componentes convencionais e temporais– via comandos de atualização do BDG (DML)

• Modificação de componentes espaciais e pictóricos– cargas periódicas de mapas e identificação de

instâncias de campos e objetos• em alguns casos, é possível a atualização da

geometria de instâncias via comandos DML– exemplo: inclusão de um hospital no mapa de Fpolis,

definindo também o polígono que o delimita no terreno

Operações em um BDG• Análise geo-espacial• Atualização de dados• Consulta a dados• Visualização de dados

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Consulta a Dados Geográficos• Diferenças em relação a BDs convencionais

– critérios de seleção espacial• uso de funções de análise geo-espacial• uso de linguagens textuais estendidas

– seleção baseada em apontamento• manipulação direta de mapas para fins de consulta• uso de interfaces gráficas e linguagens visuais

– resultados textuais, gráficos ou mistos• propriedades convencionais associadas ao seu

posicionamento geográfico– certas consultas só tem sentido se o resultado for misto

» exemplo: onde ficam as cidades de SC com mais de 100.000 habitantes?

Linguagens de Consulta para BDG• Extensões do SQL, em geral

– várias propostas• SQL/MM, GeoSQL, Spatial SQL, SF-SQL, ...

– permitem todos os tipos de resultados

• Exemplo 1 (SF-SQL)– critério de seleção espacial e resultado textual

select c1.nome

from c1 Cidade, c Cidade

where c.nome = “Florianópolis”

and c.geometria.DISTANCE(c1.geometria)< 50

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Linguagens de Consulta Textuais• Exemplo 2 (GeoSQL)

– critério de seleção espacial e resultado misto

select TMunicipio m

from LayerUrbano of MapaSC

where ((m.população >= 50000)

and (m.Area() > 1000)

and (m CROSS

select TRio r

from LayerHidrografia of MapaSC

where (r.nome = “Itajaí-Açu”)))

indicação do mapa no qual deve ser exibido o resultado

Linguagens de Consulta Textuais• Exemplo 3 (Spatial SQL)

– critério de seleção espacial e resultado misto

set legend

color black

pattern dashed

for select geometria

from Via;

set window

select Via.geometria, Via.nome

from Via, Cidade

where Cidade.nome = “Florianopolis”

and Via.nome like “F*”

and Via.geometria INSIDE Cidade.geometria

configuração deparâmetros devisualização

indicação de resultadográfico

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Operações em um BDG• Análise geo-espacial• Atualização de dados• Consulta a dados• Visualização de dados

Visualização de Dados Geográficos• Gerenciamento da apresentação de dados

– importante função de BDGs

• Objetivo desta classe de operações– apresentação de resultados de consultas

– manipulação de objetos na tela• facilitar a visualização de dados, pesquisa

exploratória (browsing) e a construção de novas consultas

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Visualização de Dados Geográficos• Funcionalidades principais

– visualização 2D e 3D– formulação iterativa de consultas– combinação de resultados de consultas– customização de apresentações de mapas– visualização simultânea de várias regiões

geográficas– operações especiais

• zooming, panning (translação), rotação, ...

– apresentação de resultados estatísticos• exemplo: análise de densidade demográfica

– visualização através de análise de dispersão ou mapa de isolinhas

Customização de Apresentações• Exemplo: mapa de Florianópolis

tema default:logradouros

objetos default:mercado público,IEE, ...

legendas default:nome e tipo dos logradouros

metáforas visuais:• avenidas

-linha dupla-cor marrom

• praças-interior com cor verde

. . .

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Controles de Zooming• Representação dos dados muda

• Alguns dados tornam-se invisíveis e outros visíveis

• Zoom In / Zoom Out– escopo de objetos passíveis de consulta muda

• exemplo: zoom In Brasil → SC– consulta apenas a objetos geográficos em SC

• Zoom Out– aplicação de técnicas de omissão de detalhes

• generalização

• filtragem de objetos e legendas– evitar excesso e/ou sobreposição de informações no mapa