Modelagem Conceitual de Banco de Dados Geográficos

Modelagem Conceitual de Banco de Dados Geográficos
Donilson Lopes da Rosa, Sérgio Muinhos Barroso Lima
Bacharelado em Sistemas de Informação – Faculdade Metodista Granbery
Rua Batista de Oliveira, 1145 – 36010-532 – Juiz de Fora – MG
{donilsonlr, smblima}@gmail.com
Abstract. The objective of this work is to present a study about Conceptual Modeling of
Geographic Databases, using the concepts of GeoFrame framework applied in the UMLGeoframe conceptual model, specific for Geographic Information Systems.It will be
developed a study case of a Climate System. The diagrams of this model will be elaborated
with the use of the tool ArgoCASEGEO, an extension of the Argo-UML.
Resumo. O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sobre modelagem conceitual de
Banco de Dados Geográficos, utilizando os conceitos do framework GeoFrame aplicados no
modelo conceitual UML-Geoframe, específico para Sistemas de Informação Geográfica. Será
desenvolvido um estudo de caso de um Sistema de Condições Climáticas. Os diagramas desse
modelo serão elaborados com o uso da ferramenta de modelagem conceitual de aplicações
geográficas, ArgoCASEGEO, uma extensão da Argo-UML..
Palavras-chaves. Modelagem conceitual; Banco de Dados Geográficos; Sistema de
Informação Geográfica.
INTRODUÇÃO
As diversas maneiras de interpretação dos conceitos de espaço podem trazer
grandes dificuldades para quem pretende desenvolver alguma aplicação computacional que
envolva dados espaciais, já que, por tratar-se de conceitos abstratos, as suas representações
têm que passar por processos elaborados de entendimento e modelagem, para que possam
fornecer informações mais palpáveis. Tais diferenciações dos conceitos espaciais podem ser
Revista Eletrônica da Faculdade Metodista Granbery - http://re.granbery.edu.br
ISSN 1981 0377
Faculdade de Sistemas de Informação - N. 3, JUL/DEZ 2007
estabelecidas de acordo com os padrões culturais e as possibilidades técnicas, fornecendo
significados distintos à natureza e à organização espacial.
A palavra espaço é utilizada para as mais diversas finalidades; pode representar o
espaço sideral, espaço topológico, espaço econômico ou espaço pessoal, sendo associada a
diferentes escalas, seja mundial, ou até de um cômodo em nossa casa. Entre as diversas
correntes de pensamento da Geografia, alguns conceitos foram explorados, cada qual com
suas idéias e de acordo com o momento social, político e econômico.
As análises espaciais puderam, no decorrer da história, acompanhar o
desenvolvimento das práticas de pesquisa e das tecnologias, proporcionando aos cientistas
atuais um extenso rol de informações e mecanismos de obtenção de dados espaciais. No início
as pesquisas se limitavam a órgãos do governo e tinham o subsídio de multinacionais, eram
limitadas pelo baixo nível de equipamentos e softwares, mesmo assim foram apresentadas
grandes teorias e conceitos fundamentais para que hoje fossem transformados num turbilhão
de possibilidades no mundo do geoprocessamento.
As técnicas de captação de imagens, de processamento dos dados geográficos e
seus relacionamentos, os métodos de acesso e o crescimento da Internet, que possibilitou
maior disponibilidade de informações e disseminação de conhecimentos, seguidos dos
avanços dos Sistemas de Gerenciamento de Bancos de Dados, favoreceram ao grande
interesse pelos diversos setores de atuação nos quais os SIGs - Sistemas de Informação
Geográfica - estão presentes na atualidade.
Este artigo foi desenvolvido com base na apresentação do Trabalho de Conclusão
de Curso: SIG - Sistemas de Informação Geográfica - Modelagem de Banco de Dados
Geográficos (ROSA, 2007) e teve estímulo pela interdisciplinaridade dessa área de
conhecimento, ratificada pelo aprendizado de disciplinas como Banco de Dados e Análise de
Sistemas, no curso de Sistema de Informação da Faculdade Metodista Granbery; e Introdução
ao Geoprocessamento no curso de Geografia da Universidade Federal de Juiz de Fora.
O artigo está organizado da seguinte maneira: a seção 1 apresenta os conceitos
básicos utilizados para a representação espacial de dados geográficos, com uma descrição de
SIG. A seção 2 apresenta a modelagem conceitual de dados geográficos por meio do
framework1 GeoFrame, demonstrando como é feita a modelagem de dados espaciais
utilizando a linguagem UML-GeoFrame. A seguir, a seção 3 apresenta a ferramenta
1
Framework: é uma estrutura de suporte definida, em que outro projeto de software pode ser organizado e
desenvolvido. Pode incluir programas de suporte, bibliotecas de código, linguagens de script e outros softwares
para ajudar a desenvolver e juntar diferentes componentes de um projeto de software. É projetado com a
intenção de facilitar o desenvolvimento de software, habilitando designers e programadores a gastarem mais
tempo determinando nas exigências do software do que com detalhes tediosos de baixo nível do sistema.
ArgoCASEGEO, suas principais características e funcionalidades. Finalizando, na seção 4,
teremos um estudo de caso com a modelagem de um Sistema de Condições Climáticas.
REPRESENTAÇÃO ESPACIAL DE DADOS GEOGRÁFICOS
Para tentarmos estabelecer uma maneira mais perceptível e compreensiva dos
conceitos abstratos de espaço, e transformá-los em representações espaciais nos
computadores, devemos considerar aspectos capazes de possibilitar melhor entendimento dos
mesmos, ou seja, os conceitos que descrevem o mundo real, os modelos lógico-matemáticos,
as estruturas de dados geométricas e alfanuméricas, os algoritmos que serão utilizados nos
SIGs e opções de arquitetura, linguagens de programação e desempenho de hardware.
Dados geográficos são as representações de fenômenos, como: solo, vegetação,
clima, dados censitários, dados cadastrais urbanos, exclusão social, ocorrências de crimes,
declividade de um terreno, rede de abastecimento de água e coleta de esgoto, ou seja, tudo
que se relaciona à natureza e aos homens e às relações estabelecidas entre ambos.
O Geoprocesamento é uma ciência que é composta por práticas de trabalho de
pesquisa de campo, técnicas de procesamento de dados, métodos de aplicação, equipamentos
e conhecimento humano, com o intuito de processar informações advindas de coletas de
dados e percepções do universo com finalidades específicas nas quais cada sistema atua. Um
SIG é um software que tem a capacidade de capturar, modelar, manipular, recuperar,
cunsultar, analisar e apresentar informações com dados geográficos. Os componentes de um
SIG e as suas integrações podem ser observados na figura 1. A Interface é utilizada pelo
usuário para operar e controlar o sistema; Entrada e Integração de Dados são os mecanismos
de conversão de dados para a forma digital; Consulta e Análise Espacial são os métodos de
processamento de imagens; Visualização e Plotagem são as representações dos dados por
meio de mapas, imagens e tabelas; e Gerência de Dados na qual são armazenados,
organizados e recuperados os dados espaciais.
Figura 1 – Arquitetura de sistemas de informação geográfica.
Fonte: Câmara, G. 2005.
MODELAGEM CONCEITUAL DE DADOS GEOGRÁFICOS
Os modelos de dados são criados para representar os objetos e fenômenos da
natureza e possibilitar ao desenvolvedor e ao usuário de um SIG entender melhor os conceitos
relacionados com a aplicação que estiver em questão. A abstração do mundo real serve para
que sejam representadas todas as entidades e os relacionamentos nos quais um sistema é
proposto, dentro das funcionalidades necessárias para atender os requisitos pré-estabelecidos.
A modelagem conceitual está inserida no domínio do problema, ou seja, será descrita em
linguagem de alto nível e ficará independente do software.
A representação de dados geográficos apresenta algumas particularidades devido a
aspectos que envolvem a localização espacial dos objetos, o tempo de observação, o registro
de fatores externos e a precisão na obtenção dos dados, sejam eles:
−A limitação da representação do mundo real por meio de conceitos
geométricos, sendo necessário o maior número possível de formalização de
conceitos abstratos;
−Maneiras diferentes de interpretação espacial pelos usuários;
−Os dados geográficos possuem diferentes formas geométricas;
−Relações espaciais de difícil entendimento e execução.
Para obtermos melhores resultados na modelagem de dados geográficos, devemos
conhecer os níveis de abstração que podem ser representados: o mundo real e seus fenômenos
(ruas, rios ou cobertura vegetal), a representação conceitual das entidades, a representação
com aspectos visuais e implementação nas quais são definidas as estruturas de dados.
O modelo UML-Geoframe, adaptação do framework GeoFrame (FILHO e
IOCHPE, 1999) à linguagem de modelagem UML (BOOCH, JACOBSON E RUMBAUGH,
1998), atende aos aspectos de modelagem de dados geográficos, possibilitando que os
conceitos de abstração de espaço sejam transformados em aplicações de melhor
entendimento. Utilizando conceitos da orientação a objetos, permite que a modelagem seja
criada de modo adequado às modernas práticas de desenvolvimento e às linguagens de
programação mais propagadas e utilizadas na atualidade.
As classes que compõem esta modelagem são apresentadas na figura 2 e seguem
padrões e conceitos semelhantes aos que foram propostos no padrão OMT-Geo (BORGES,
1997), nos quais são explorados os conceitos de espaço absoluto2, geo-campo (classe
CAMPOGEOGRÁFICO) e geo-objetos (classe OBJETOGEOGRÁFICO), que representam
classes georreferenciadas, ou seja, classes com características geométricas e que possuem
localização espacial (latitude e longitude). A classe TEMA permite ao desenvolvedor dividir o
esquema de acordo com pacotes que representam os aspectos que serão abordados pelo
sistema, sendo que a classe REGIAOGEOGRÁFICA pode englobar vários temas. Esse
modelo
possibilita
a
representação
de
objetos
convencionais
(classe
OBJETONAOGEOGRÁFICO); nos níveis inferiores da representação encontram-se as
classes REPRESENTAÇAOCAMPO nas quais podemos representar as classes como
ISOLINHAS (curvas de nível de cartas topográficas), GRADEPONTOS (elevação de
terrenos),
GRADECELULAS
PONTOSIRREGULARES
(dados
(imagens
de
meteorológicos
satélite),
de
POLADJACENTES
estações
climatológicas);
e
e
OBJETOESPACIAL com as classes PONTO, LINHA, POLÍGONO E OBJESPCOMPLEXO.
2
Espaço absoluto: também chamado cartesiano, é um container de coisas e eventos, uma estrutura para localizar
pontos, trajetórias e objetos.
Figura 2 – Diagrama de Classes GeoFrame.
Fonte: Filho, J. L. 2004.
Outra característica desse modelo é a representação dessas classes com
estereótipos apresentados na figura 3 com uma observação a ser feita na qual temos os objetos
espaciais complexos que são compostos por dois ou mais (2..n) objetos espaciais, por
exemplo, um arquipélago; e o estereótipo <<função>> que serve para representação de
campos categóricos, ou o relacionamento entre esse tipo de classe, como por exemplo Solo e
Tipo de solo.
Figura 3 – Estereótipos das classes GeoFrame.
Fonte: Filho, J. L. 2004.
O processo de modelagem na UML-GeoFrame segue os seguintes passos:
1 - Identificar temas e subtemas por região: escolhida a área a ser representada devemos
identificar os temas e subtemas que serão abordados na modelagem, utilizando o construtor
Pacote da UML, como podemos observar na figura 4;
Figura 4 – Diagrama de temas GeoFrame.
Fonte: Filho, J. L. 2004.
2 - Construir diagramas de classes por tema: nesta fase é que devemos utilizar os estereótipos
para representação das classes;
3 - Modelar o componente espacial dos fenômenos geográficos: aqui devemos estabelecer a
especificação dos fenômenos geográficos por meio das associações entre as classes.
Os passos 2 e 3 devem ser realizados juntos e podem ser observados pelo diagrama
da figura 5.
Figura 5 – Diagrama de classes Gestão Urbana.
Fonte: Filho, J. L. 2001.
FERRAMENTA ARGOCASEGEO
A ferramenta free3 ArgoCASEGEO, uma extensão da Argo-UML, está sendo
desenvolvida desde 2004 pelo corpo docente do Departamento de Informática da
Universidade Federal de Viçosa, por funcionários e por discentes envolvidos em projetos de
iniciação científica do curso de Ciência da Computação da UFV. Ela oferece mecanismos de
adaptação à linguagem de modelagem UML-Geoframe sendo desenvolvida em linguagem de
programação Java, de código aberto, e a sua versão 2.0 está disponível para download por
meio do link http://www.dpi.ufv.br/projetos/argocasegeo/ArgoCASEGEO2.exe.
3
Ferramenta free: programa utilizado para desenvolvimento ou programação de um sistema computacional
disponibilizado gratuitamente na Internet.
O seu ambiente de trabalho apresenta três painéis: o de navegação, no qual temos
acesso aos diagramas do projeto; o gráfico, no qual são construídos os diagramas; o de
propriedades, que fornece modos de edição dos itens dos diagramas. Conforme pode ser
observado na figura 6, a ferramenta tem uma interface simples e fácil de ser utilizada.
Figura 6 – Interface da ArgoCASEGEO.
A ferramenta possui quatro módulos já disponíveis para utilização e um módulo
que está sendo desenvolvido pelos projetistas, além de projetos de módulos que farão a
integração destes: O Módulo Gráfico, no qual temos os estereótipos e construtores que são
utilizados na modelagem conceitual de banco de dados geográficos; o Módulo de Dicionário
de Dados com as descrições dos elementos dos modelos; o Módulo de Catálogo de Padrões de
Análise que cuida da reutilização de esquemas já existentes; o Módulo de Geração
Automática no qual ocorre a transformação do esquema conceitual para o lógico; e o Módulo
de Engenharia Reversa que possibilitará obter esquemas conceituais por meio de aplicações
feitas em diversos SIGs.
Entre as principais funcionalidades destacam-se a criação de diagramas da UML e
o diagrama UML-GeoFrame; opções para escolher as representações dos objetos ou campos
geográficos, ou seja, a sua representação geométrica; inclusão das classes do nosso modelo,
utilizando as opções de adicionar atributos e operações, e escolha da multiplicidade dos
relacionamentos, agregação-composição e navegabilidade entre as classes.
SISTEMA DE CONDIÇÕES CLIMATOLÓGICAS
O sistema que serviu de base para essa modelagem foi projetado pelo graduando
Rodrigo Terror Giesbrecht, e trata-se do estudo de caso que está desenvolvido em sua
monografia. O objetivo desse sistema é apresentar informações sobre o clima de uma
determinada região, utilizando a captação de imagens de satélites e a obtenção de dados
meteorológicos, como temperatura, pressão atmosférica e umidade relativa do ar nos
aparelhos instalados em estações climatológicas em uma cidade. Esse tipo de coleta facilitará
a caracterização do clima da região escolhida pelo usuário e possibilitará a visualização de
mapas, inclusive com a possibilidade de geração de gráficos desses dados coletados, e as
conexões entre as cidades, pelas rodovias que ligam as mesmas.
A modelagem segue os passos expostos anteriormente, com a construção do
diagrama de casos de uso no qual temos as interações do usuário com o sistema, ou seja, as
funcionalidades do sistema, e pode ser verificado na figura 7 abaixo.
Figura 7 - Diagrama de Casos de Uso.
Em seguida passamos à construção do diagrama de temas, na qual utilizamos o
diagrama de pacotes da UML. O tema infra-estrutura possui os sub-temas Sistema Viário e
Divisão Administrativa, em que serão estabelecidas as fronteiras entre cidades e estados, ou
seja, a localização dos mesmos por meio das coordenadas geográficas da região, e quais as
rodovias interligam essas cidades, inclusive a sua classificação, se estadual ou federal. O tema
Cartografia possui um sub-tema, Projeção Cartográfica (Mapa). O tema Coleta de Dados
apresenta as formas de captação de dados seja pela Estação Climatológica (Coleta) seja por
Sensoriamento Remoto (Satélite), com a possibilidade de geração de gráficos das condições
climáticas da região monitorada. Observamos na figura 8 uma visão macro do sistema,
utilizando um diagrama para cada uma das regiões que forem pesquisadas pelos usuários.
CondicoesClimatologicas:RegiaoGeografica
Figura 8 - Diagrama de Temas.
No diagrama de classes estabelecemos quais são as classes que se enquadram
como
FENOMENOGEOGRÁFICO
que
serão
subdivididas
entre
as
classes
OBJETOGEOGRÁFICO (Estado, Cidade e Rodovia) e CAMPOGEOGRÁFICO (Mapa,
Coleta e Satélite).
A classe Estado mantém uma composição com a classe Cidade, pois esta faz parte
daquela e dentro do sistema não existem isoladamente. Uma cidade pode ser ligada por uma
ou várias rodovias, que podem passar por várias cidades. Uma cidade, uma rodovia e um
estado podem ser desenhados em um ou mais mapas, que podem conter várias cidades,
estados ou rodovias. Uma coleta, obrigatoriamente, deve pertencer a uma cidade, que pode ter
várias coletas ou nenhuma. Um mapa é construído por uma ou várias imagens de satélites,
que, por sua vez, podem fornecer imagens para construção de vários mapas. Como destaques
da figura 9, temos: os atributos coordXY da classe cidade, que servem para localizar as
cidades; na classe Mapa temos os atributos tema, escala e região em que podemos definir o
tipo de mapa, qual região da cidade e a proporção em que visualizamos a imagem do satélite.
O atributo gráfico dessa classe é responsável direto pelo método desenhar, por meio do qual
se estabelecem os contornos do mapa que está sendo produzido. Na classe Coleta, são
retirados os dados referentes às condições climáticas e à geração de gráficos das observações
feitas pelos equipamentos instalados em uma estação climatológica. A captura de imagens
pelos satélites é uma das opções existentes e utilizadas para construção de mapas que servem
como base para as operações realizadas pelos SIG.
LEGENDA:
Objeto Geográfico
Campo Geográfico
Objeto não-Geográfico
Figura 9 - Diagrama de classes.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste artigo foram apresentados conceitos básicos utilizados para a modelagem
conceitual de banco de dados geográficos, por intermédio da linguagem de modelagem UMLGeoFrame, na qual podemos observar suas aplicações no campo do geoprocessamento e de
SIG.
Foram descritos os elementos de um SIG, os conceitos nos quais eles se
enquadram, as principais estruturas e os tipos de dados encontrados nessa modelagem.
Também foram abordados os níveis de abstração dos dados geográficos e as dificuldades de
representação dos mesmos. Foi escolhida a linguagem UML-GeoFrame com suas principais
características, tipos de classes, diagramas e relacionamentos, e processos de modelagem para
ser desenvolvido um caso de uso utilizando a ferramenta de modelagem ArgoCASEGEO.
Considerando a grande gama de informações pertinentes ao tema deste trabalho, e
sua interdisciplinaridade, pode-se estabelecer parâmetros de como é complexo e desafiador o
estudo e a pesquisa neste campo, porém trata-se de um grande e amplo universo de análise e
com possibilidades de crescimento profissional e pessoal, já que não se remete somente a
aplicações estritamente técnicas: Esse tipo de pesquisa tem como premissa o conhecimento
das capacidades humanas de interpretação do espaço, a aplicação de conceitos matemáticos e
o desenvolvimento de técnicas computacionais.
AGRADECIMENTOS
Os autores deste artigo agradecem o apoio da direção da Faculdade Metodista
Granbery e da coordenação do curso de Sistema de Informação pelo incentivo à prática de
pesquisa e ao estímulo transferido aos alunos, encorajando-os a desenvolver trabalhos
acadêmicos que aprimoram os ensinamentos transmitidos pelos professores da Instituição.
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em: