Implementação de um banco de dados para a gestão de bacias

Implementação de um banco de dados para a gestão de
bacias hidrográficas: comparação de sistemas de informações
geográficas estruturado em arquivos e em geodatabase
Vivian Facundes Dantas, Gonzalo Álvaro Vázquez Fernández
LabGeo – Laboratório de Geoprocessamento – CEULP/ULBRA, Av. Teotônio Segurado,
1501 Sul, Palmas, TO, Brasil
{vfd, gonzalo}@ulbra-to.br
Abstract. The objective of this work was to implement and compare a geographic
information system (GIS) for the management of water catchments structured in
files in comparison to one other geographic information system structured in
geodatabase. The Geodatabase GIS showed wider possibilities in comparison to
the former GIS, albeit the price. The GIS structured in files showed advantages
related to implementation and data management, as related to cartographic
organization, as well as language forestep (Portuguese and Spanish are
available), which may be crucial in some non-English speaking organizations
around the world.
Resumo. O objetivo deste trabalho foi implementar e comparar dois Sistemas de
Informação Geográfica (SIG) no gerenciamento de um banco de dados para a
gestão de bacias hidrográficas estruturado em arquivos em comparação a um
outro sistema de informação geográfica estruturado em geodabase. O SIG
geodatabase apresentou maiores possibilidades de gerenciamento de tabelas do
banco de dados em comparação ao outro SIG. O SIG estruturado em arquivos
apresentou vantagens relacionados a implementação e o gerenciamento dos
dados cartográficos, bem como a versão do SIG (Português e Espanhol).
1. INTRODUÇÃO
Existem hoje no mercado várias ferramentas SIG (Sistemas de Informação Geográfica) que
auxiliam nos trabalhos cartográficos. O SIG possibilita a integração de dados gráficos ou
espaciais e dados não-gráficos ou não-espaciais. Cada tabela de um banco de dados possui
atributos (os campos da tabela) e registros (os dados armazenados na tabela). Um SIG
permite fazer relacionamento ou associação entre tabelas ou entre registros de uma tabela
com pontos, linhas ou áreas de uma imagem. É através destes relacionamentos que se
consegue ampliar mais as informações ligadas a uma imagem e a tornar a análise mais
completa.
Uma ferramenta SIG pode ser definida como um sistema gerenciador de dados
geográficos, pois possui associado um Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD).
As ferramentas SIG estudada são o SPRING e o ArcView. Cada um desses sistemas possui
um SGBD relacional associado, como o ORACLE, CODEBASE ou ACCESS.
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O trabalho dará ênfase somente aos sistemas SPRING e ArcView com o objetivo de
implementar e comparar um banco de dados geográficos para a gestão de bacias
hidrográficas estruturado em arquivos (SPRING) em contraste a um outro banco de dados
geográfico estruturado em geodatabase (ArcView). Será também utilizado o Springweb
(tecnologia Spring) e o ArcIMS (tecnologia ArcGis) para disponibilizar através da Internet
os dados implementados tanto no SPRING quanto no ArcView e tratar sobre questões de
funcionalidades da interface de cada um. A citação de nomes comerciais não significa
promoção de uma ou outra marca por parte dos autores. Estes programas foram escolhidos
pela larga aceitação da comunidade de geoprocessamento no Brasil desses programas e
seus arquivos e pela disponibilidade de licença acadêmica para realização do trabalho.
2. IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO EM SPRING
SPRING foi desenvolvido no Brasil pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).
Para utilizar o programa Spring é necessário em primeiro lugar criar um banco de dados e
escolher o tipo de SGBD. O Spring oferece os SGBD ORACLE, DBASE ou ACCESS. Ao
criar o banco de dados, o Spring cria uma pasta com o nome dado ao banco e tudo o que for
feito utilizando esse banco é salvo automaticamente nesta pasta que é na verdade o próprio
banco de dados criado. Neste banco de dados serão armazenados todos os tipos de dados (O
projeto, as categorias, os planos de informação e as tabelas). “Um banco de dados
geográficos é composto por conjuntos de planos de informação, um conjunto de geoobjetos
e um conjunto de objetos não-espaciais”. (Assad, 1998, p.57). Este banco de dados é o
repositório do modelo conceitual sobre o qual se desenvolverão Projetos. Cada projeto é
uma instanciação espacial dentro do modelo proposto. Os planos de informação podem ser
considerados instâncias temporais daquele espaço delimitado pelo projeto.
Antes de inserir qualquer dado no Spring é necessário de antemão conhecê-lo. O
Spring trabalha com os modelos de dados Cadastral, Imagem, MNT, Não-Espacial, Objeto,
Rede e Temático. Ao inserir um dado é preciso “dizer” ao programa o tipo de dado que se
deseja trabalhar. Isto é feito criando uma categoria e atribuindo o valor a ela. Após esta
etapa o próximo passo é criar um plano de informação para esta categoria. Plano de
informação é onde o dado é inserido. Por exemplo, a bacia São João digitalizada no plano
de informação denominado “bacia”. Para visualizar a bacia São João é preciso selecionar a
categoria aonde está o plano de informação bacia e em seguida selecionar o plano de
informação denominado bacia.
O Spring suporta vários bancos de dados e cada banco de dados pode ter várias
categorias e projetos e para cada projeto pode-se ter categorias de vários tipos e para cada
categoria um ou mais planos de informação. Na figura 1 identifica-se a que categoria cada
imagem pertence.
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Categoria
Temática
Categoria Cadastral
Categoria
Temática
+
Imóveis Rurais
Drenagem
Bacia São João
Figura 1 – Os dados digitalizados no projeto da Bacia São João.
2.1
SPRINGWEB
“O SPRINGWEB é um aplicativo escrito em Java que permite a visualização de dados
geográficos armazenados em um servidor remoto”. (INPE, 2001).
O objetivo principal do SpringWeb é disponibilizar os mapas elaborados no Spring
através de uma página HTML. O próprio Spring possui uma opção para exportar dados no
formato SpringWeb. Além de exibir os dados pela web, ele também permite fazer consultas
caso haja atributos relacionados ao mapa.
3. IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO EM ARCGIS
ArcGIS é um conjunto de programas desenvolvido pela ESRI (1999-2002). Cada uma das
funções do ArcGIS é executada em ambientes diferentes. Por exemplo, a análise, edição e
criação são executadas no ArcMap, o gerenciamento dos dados no ArcCatalog e operações
especiais no ArcToolbox. Três níveis de licença são comercializadas, indo da
funcionalidade básica (ArcView), intermediária (ArcEditor) até a total (ArcInfo).
O ArcMap possui o SQL (Structured Query Language) como seu sistema
gerenciador de banco de dados (SGBD). O ArcMap possibilita o usuário fazer consulta de
duas formas: a. Digitando uma consulta na linguagem SQL; ou b. Através de uma estrutura
onde ficam disponíveis os dados das tabelas e formas de comparações(>, <, =) para que o
usuário leigo em SQL possa também executar consultas.
O ArcCatalog é a parte do ArcView onde são gerenciados os dados geográficos que
serão utilizados pelo ArcMap. É possível importar dados shapefile, coverage e dbase, como
também criar geodatabases para uma melhor organização dos dados. O ArcCatalog também
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permite visualizar os dados armazenados como também incluir metadados (informações
dos dados).
3.1
ArcIMS
O ArcIMS é um dos módulos do ArcGIS que auxilia na criação de sites geográficos, ou
seja, utilizando dados geográficos elaborados por exemplo, no ArcMap. O ArcIMS possui 3
aplicações: ArcIMS Author, ArcIMS Administrator e ArcIMS Designer. Cada uma dessas
aplicações possui funcionalidades adicionais e também podem ser utilizadas
separadamente. Este software é um servidor de mapas e permite criar páginas em html
como também em Java.
4. MATERIAL E MÉTODOS
Foi utilizado o seguinte material e equipamentos para o desenvolvimento do trabalho:
•
Software: SPRING 3.6.03, SpringWeb 3.0, ArcGIS 8.2 (ArcCatalog e ArcMap), Plug-in
Java 1.3 e Access 2000;
•
Equipamentos: 1 Mesa digitalizadora e 1 Computador Pentium 4;
•
Carta Topográfica folha do IBGE Vila Canela.
4.1
Banco de Dados
Em 1999 foi aplicado um questionário pelos alunos do curso de Engenharia Agrícola do
CEULP/ULBRA em algumas fazendas próximas a Bacia do São João. Foram coletados
vários dados sobre a propriedade: tipo de propriedade, natureza do produtor, infra-estrutura,
criação de animais, irrigação, entre outros. Para um melhor entendimento deste
questionário, foi elaborada a modelagem conceitual onde o Imóvel Rural foi o “objeto”
observado que iniciou o processo de modelagem dos dados. A partir daí, foi utilizado a
abordagem entidade-relacionamento de Chen (1976) para representação das entidades
identificadas e seus relacionamentos.
Todas as entidades do domínio estão relacionadas à entidade IMOVELRURAL,
pois o domínio do banco de dados em questão é sobre imóveis rurais. Depois de
identificado o domínio do banco de dados, observou-se que o imóvel rural possui: produtor,
informações econômicas, criação de animais, etc. Para cada entidade do Diagrama
Entidade-Relacionamento (DER) na figura 2 foi criado uma tabela e cada tabela recebeu o
atributo idimovel por estarem diretamente relacionadas com a entidade IMOVELRURAL.
Quando o relacionamento entre entidades é de 1:1 cria-se uma única tabela com os atributos
das duas entidades. Neste caso, não foi criada uma única tabela para este tipo de
relacionamento e sim uma tabela para cada entidade para facilitar o processo de consulta.
Foi utilizado um banco de dados tabular (Access) para a criação das tabelas.
4.2
Projeto em Spring
Como já tínhamos um banco de dados criado e um projeto referente ao mapa Vila Canela
(Cruz, 2002) com a bacia São João digitalizada foi criado apenas um outro projeto
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utilizando a mesma base de dados. Depois de criado este projeto, foram criados 5
categorias:
•
Uma categoria do tipo cadastral;
•
Duas categorias do tipo temático;
•
Uma categoria do tipo Não-espacial;
•
Uma categoria Objeto.
Na categoria do tipo cadastral foram digitalizados os pontos referentes aos imóveis
rurais, pois um modelo cadastral permite a ligação entre um dado espacial (pontos) e
atributos (tabelas). A bacia São João digitalizada foi importada para uma categoria temática
e os lagos para outra categoria temática. Antes de importar qualquer tabela para o Spring,
precisa-se criar uma categoria não-espacial que suporta uma ou mais tabelas. Foram
importadas as tabelas criadas para a categoria não-espacial. O passo seguinte foi a criação
da categoria Objeto, pois sem essa categoria não é possível fazer o relacionamento entre
tabelas e a associação de um ponto da imagem com um registro da tabela. A categoria
Objeto é na verdade uma tabela na qual se pode criar atributos e adicionar valores a eles. O
passo seguinte foi a ligação da tabela IMOVELRURAL com a tabela da categoria objeto que
foi adicionado um campo idimovel para efetivar o relacionamento entre as tabelas. Após o
relacionamento das duas tabelas foram atribuídos valores para os atributos rótulo e nome da
tabela da categoria objeto. A associação de um ponto que representa um imóvel rural com
um registro da tabela é feita somente através da ligação do atributo rotulo da tabela da
categoria objeto com o ponto e então associá-lo.
Terminado todo este processo no Spring os dados foram exportados do Spring para
o SpringWeb. O Spring cria uma pasta com os dados no formato legível pelo aplicativo
Java no diretório do computador que o usuário desejar salvá-lo. Nesta exportação o Spring
cria uma página em html e converte os dados num formato entendível pelo SpringWeb. O
plug-in java foi instalado para poder executar o SpringWeb na máquina.
4.3
ArcGIS
A categoria Objeto criada no Spring foi exportada no formato shapefile para a base de
dados do ArcCatalog. Como os registros da tabela da categoria objeto estavam relacionados
com os pontos dos imóveis rurais, os pontos foram exportados juntamente com a tabela
formando um arquivo shapefile com dados espaciais e não espaciais.
No ArcMap fez-se a junção dos dados presentes na base de dados. Os dados foram:
a bacia, os lagos e os pontos dos imóveis rurais.
Todos estes dados estão
georreferenciados. Após esta etapa, foi feita a junção das tabelas criadas na modelagem
(em Access) com a tabela importada do Spring para base de dados do ArcCatolog.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
No diagrama entidade-relacionamento (DER) da figura 2 gerada para este domínio, cada
relacionamento possui uma cardinalidade máxima e mínima, como exemplo, um imóvel
rural (entidade) possui 0 (mínima) ou 1 (máxima) irrigação (entidade). O modelo entidadeVI Encontro de Estudantes de Informática do Estado do Tocantins – ENCOINFO 2004 – 4 e 5 de novembro de 2004
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relacionamento criado apresenta duas especialização total (t), onde as entidades
especializadas (PSICULTURA, BOVINO, EQUINO, CAPRINO, SUINO, OVINO,
AVICOLA e APICOLA) herdam todos os atributos da entidade genérica CRIACAO e as
outras entidades especializadas (BOVINOCORTE e BOVINOLEITE) herdam todos os
atributos da entidade BOVINO. Os atributos das entidades não foram representados na
figura 2 devido à quantidade de atributos por entidade. Com a geração do modelo
conceitual chegou-se a 28 tabelas.
Os dois SIGs utilizados neste trabalho apresentaram algumas diferenças como
também semelhanças. Os mesmos dados que foram utilizados no Spring também foram
utilizados no ArcGIS, mas cada SIG gerenciou os dados de formas diferentes. Aliado ao
modelo conceitual que baseia o desenvolvimento de cada sistema, e as decorrentes
limitações lógicas, os dois sistemas têm características bem peculiares.
As principais diferenças se estabeleceram nos seguintes quesitos:
1. Disponibilidade e interação com o usuário:
O ArcGIS é em inglês o que exige um pouco mais de conhecimento da parte do usuário
enquanto, o Spring é em português facilitando o entendimento do usuário.
O Spring é um software gratuito, enquanto o ArcGIS é comercial com preço em dólar.
2. Interação com bases de dados externas e número de tabelas admitidas:
O ArcGIS permite a conexão com tabelas que não estão na base de dados do ArcCatalog
enquanto o Spring apresentou limitações de interação com bases externas, pois.é preciso
importar a tabela para o SIG.
O Spring não permitiu relacionar mais de uma tabela entre si, só permitiu o relacionamento
de uma única tabela com a tabela da categoria objeto. A modelagem do banco de dados
criada para o domínio de imóvel rural não foi implementada no Spring devido a este fato,
mas já no ArcView(ArcGIS) não houve problemas neste ponto, pois este SIG permite
relacionar diversas tabelas entre si.
3. Estrutura dos módulos:
ArcView possui aplicativos separados, um para gerenciamento de dados (ArcCatalog) e
outro para análise e edição (ArcMap). No ArcCatalog, é possível visualizar o que cada
arquivo possui sem precisar abri-lo no ArcMap. É possível utilizar um dado digitalizado no
Spring e exportá-lo no formato shapefile que o ArcGIS reconhece. Isto foi feito na
digitalização dos pontos dos imóveis rurais no Spring e reaproveitado no ArcGIS sem ter a
necessidade de digitalizar os pontos para os dois SIG.
4. Módulo de distribuição de dados via Internet:
O Springweb do Spring tem algumas vantagens por ser fácil de utilizar em relação ao
ArcIMS, mas é apenas um visualizador de mapas via internet. O ArcIMS é um servidor de
mapas e possui toda uma estrutura para desenvolver e disponibilizar mapas por uma
intranet ou internet. O ArcIMS do ArcGIS possui aplicações separadas na qual cada
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aplicação é responsável por uma parte, a parte de criação do site, outra de gerenciamento e
outra para criação de mapas.
Ainda, o Springweb é utilizado somente para mostrar via página em HTML, o mapa. Ao
executar o programa pelo browser a imagem do mapa não aparece de inicio, é preciso que o
usuário clique no menu exibir e selecione os planos de informação que deseja visualizar.
Um usuário leigo ao acessar a página pela internet vai ter a impressão de que não há
nenhuma imagem.
Figura 2 - Diagrama Entidade-Relacionamento do domínio imóvel rural.
O ArcIMS é um servidor de mapa que também disponibiliza os dados pela web, através de
páginas em HTML ou Java. A vantagem do ArcIMS é que não é preciso atualizar a página,
apenas a base de dados do servidor.
As figuras 3 e 4 apresentam o mapa da bacia São João, lagos e as fazendas, elaboradas no
trabalho. A figura 3 mostra o trabalho no Spring e a figura 4 no ArcGis.
5. Estrutura dos módulos:
O Spring tem ampla funcionalidade quanto à gama de formatos processáveis. Edita vetores,
processa imagens e opera matrizes. O ArcGIS é vetorial em sua essência, e funcionalidades
adicionais se dão ao custo de modelos adicionais, limitando sua aplicação, principalmente
didática. Processa imagens apenas superficialmente.
6. Estruturação Cartográfica:
A estruturação do Spring em banco de dados e projeto limita as opções gráficas do usuário
e garante integridade cartográfica dos dados. Em contraste, a atribuição de propriedades
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cartográficas aos dados gerenciados pelo ArcGIS é opcional, o que leva o usuário a cometer
erros se não estiver atento a esse fato. Por outro lado, essa mesma estruturação do Spring
dificulta o intercambio de dados, o que no ArcGIS é feito facilmente.
7. Interoperabilidade:
O Spring é mais interoperável que o ArcGIS, visto ambos tratarem a maioria dos formatos
comerciais, o Spring ler e escrever formato ArcGIS e o oposto não ser verdadeiro.
8. Escalonabilidade:
O Spring, devido ao conjunto de características já existente, mostrou-se pouco escalonável,
valorizando projetos com começo, meio e fim. A escalonabilidade é uma propriedade
interessante nas ameaças espaciais por duas razões: a. permitem análises multitemporais, e
b. permitem agregar temas a análises não previstas a priori.
Figura 3 – Mapa da bacia São João no Spring.
Figura 4 – Mapa da bacia São João no ArcMap.
O projeto da bacia São João elaborado no Spring e exportado para o SpringWeb pode ser
visualizado na figura 5.
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Figura 5 – Mapa da Bacia São João no SpringWeb.
6. CONCLUSÃO
Os Sistemas de Informação Geográfica Spring e ArcView estudados, apresentaram algumas
vantagens e desvantagens em relação ao uso de banco de dados tabular para gestão de
bacias hidrográficas. Foi realizada a modelagem conceitual e implementado nos dois SIG,
mas apenas o ArcView deu suporte ao banco de dados criado por ter um SGBD mais
eficiente que o Spring. Pode-se ver no decorrer do trabalho que o Spring é um SIG eficiente
na parte de registro de imagens e tratamento de banco de dados mais simples, ou seja, não é
necessário fazer uma modelagem conceitual passo a passo para elaborar uma ou duas
tabelas. O Spring é um software que se faz adequado a projetos verticalizados e o ArcGIS
para projetos horizontalizados, este último possui vários módulos que dão suporte e cada
módulo é específico para cada área, por exemplo, banco de dados, servidor de mapas,
edição de mapas.
Um outro objetivo do trabalho é a implementação do mapa gerado no Springweb e
ArcIMS, com o intuito de disponibilizar via internet. O Springweb é uma ferramenta para
exibir os dados pela internet e o usuário só terá acesso ao material disponibilizado na forma
disponibilizada. Em contraste, no ArcIMS o usuário poderá ter acesso aos dados que estão
na base de dados do servidor como se estivessem em sua máquina, desde que tenha
autorização para tal e uma ferramenta adequada. Não foi avaliada a compatibilidade do
serviço de mapas via ArcIMS com outros programas fora da família ESRI.
O objetivo futuro é continuar a implementação de um servidor de mapas, e analisar
além do ArcIMS, um software de código aberto. Também deve ser gerada uma interface
para acesso intranet, utilizando o ArcIMS e o Springweb e analisar pelo lado do usuário
qual ferramenta melhor apresenta os dados e facilita a utilização, considerando uma
comunidade acadêmica de usuários de dados geográficos mas não afeita às peculiaridades
dos SIGs.
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