CIn/UFPE – IN1008 – Projeto Conceitual de Banco de Dados - Prof. Robson Fidalgo 1

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IN1008 – Projeto Conceitual de BD

Modelagem Conceitual para BD

Geográfico - Principais conceitos e

exemplos de aplicações

Por:

Carla Verónica Ruiz [email protected]


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 50.000 (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:

1. Possibilitam a integração, num único BD, de informações

geográficas provenientes de fontes diversas.

2. 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.



1. Universo Ontológico: Que classes de entidades são

necessárias para descrever o problema que estamos

estudando?

2. Universo Formal: Quais são as abstrações formais

necessárias para representar os conceitos de nosso

universo ontológico?

3. Universo Estrutural: Quais são os tipos de dados e

algoritmos necessários para representar os modelos e as

álgebras do universo formal?

4. 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:

1. Extensão de acordo com ISO SQL/MM e OGC Simple Feature Specification for SQL

2. Componente desenvolvido por terceiros mas com total compatibilidade

3. 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 (1048576) 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 (1048576) 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(76.2681,40.0376,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,

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


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