Entrada e Integração de Dados

Sumário
1 Introdução – Aplicações Não-Convencionais
2 BD Orientado a Objetos e Objeto-Relacional
3 BD Temporal
4 BD Geográfico
5 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
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 SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Armazenamento
e Recuperação
BDG
Visualização e
Plotagem
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Visualização e
Processamento
• interface gráfica (menus,Plotagem
ícones, ...)
• permitir visualização de mapas e de
atributos associados ao terreno
• permitir manipulações de mapas e atributos
Armazenamento
- consultas e atualizações
e Recuperação
- análises espaciais
- configurar parâmetros de visualização
(escala, layers, ...)
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Visualização e
Plotagem
• baseia-se em mapas obtidos via
técnicas de sensoriamento remoto
- técnicas para registro de características
do terreno sem haver contato entre o
Armazenamento
sensor e os objetos do terreno
e Recuperação
- exemplos:
* sensores em satélites
- captação baseada na quantidade e
freqüência da luz
* fotografias aéreas (fotogrametria)
- fotos seqüenciais do terreno
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Visualização e
Plotagem
• quatro formas principais de
entrada de dados:
- caderneta de campo
- digitalização em mesa
Armazenamento
- digitalização ótica
e Recuperação
- leitura de dados
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Visualização e
Plotagem
• caderneta de campo
- levantamento (por escrito) de dados
do terreno (topografia, tipo de solo, ...)
- inserção manual no BDG
Armazenamento
- uso de GPS garante maior precisão
e Recuperação
da localização dos dados
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
•Processamento
GPS
Visualização e
Plotagem
- Global Positioning System
- sistema baseado em satélites para
medição de coordenadas e altura
em qualquer ponto da Terra
Armazenamento
- para maior precisão, a localização é
e Recuperação
determinada em função de informações
obtidas de mais de um satélite
- variam em precisão e funcionalidade:
* transformações entre sistemas de
coordenadas
* visualização de mapas
BDG
* inclusão de objetos . . .
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Visualização e
Plotagem
• digitalização em mesa
- uso de uma mesa digitalizadora
* trabalha sobre um mapa impresso
- processo custoso e demorado
Armazenamento
* digitalização de linhas, ajuste de
e Recuperação
nós, identificação de atributos
do terreno, ...
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
•Processamento
digitalização ótica
Visualização e
Plotagem
- uso de scanners
- processo semi-automático
* utiliza algoritmos de conversão
Armazenamento
para o formato vetorial
e Recuperação
* pode requerer correção manual
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Visualização e
Plotagem
• leitura de dados
- importação e/ou integração de
grandes volumes de dados coletados
e cadastrados por instituições
Armazenamento
* INPE, centros de cartografia
e Recuperação
do Exército, ...
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Visualização e
Plotagem
Armazenamento
• análise geo-espacial
Recuperação
• processamentoe 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, ...
BDG
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
• componente responsável por
apresentações gráficas
- controla a visualização de imagens
Armazenamento
de mapas 2D/3D e/ou vetorial
e Recuperação
- resultados analíticos (gráficos de linhas
ou de barras, distribuição de um
fenômeno – pontos de ocorrência, ...)
- plotagem (impressão)
* definição da área a ser impressa
* colocação de legendas, textos
BDG
explicativos e medidas
Visualização e
Plotagem
Arquitetura de um SIG
Interface
com o Usuário
Entrada e Integração
de Dados
Funções de
Processamento
Armazenamento
e Recuperação
BDG
Visualização e
Plotagem
• 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
Dado Geográfico - Componentes
• Componente convencional
– propriedades alfanuméricas
código: Lg 425
tipo: praça
nome: XV de novembro
descrição: . . .
Dado Geográfico - Componentes
• Componente espacial
– propriedades de localização geo-espacial
L2
L3
L4
L1
L5
L6
forma: poligonoFechado
localização: {
L1: (78,53),(86,73),
...
L6: (88,46), (78,53)
}
fronteiras: {
(Lg 426, L6),
(Lg 067, {L1, L2})
...
}
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: 27/05/03
válidoPor: 2 anos
OU
TI: 27/05/03
TF: 27/05/05
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: planície
altitude: 5m
vegetação: arbusto
relevo: planície
altitude: 15m
vegetação: duna
relevo: planalto
altitude: 350m
vegetação: floresta
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: planalto
altitude: 370m
vegetação: floresta
relevo: planície
altitude: 15m
vegetação: duna
relevo: planalto
altitude: 300m
vegetação: floresta
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
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
alface
milho
café
uso do solo
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 terminal
ponto de linha
nó 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
Modelos Numéricos do Terreno
0
370
300
350
mapa topográfico
em isolinhas
10
15
22
60
51
82
67
88
40
77
74
33
71
49
64
98
59
22
20
69
74
97
98
85
52
22
27
79
69
41
57
86
87
58
25
31
78
63
11
37
48
73
31
37
67
42
11
23
69
34
63
69
70
23
47
68
75
71
59
65
54
23
57
17
49
58
50
0
mapa demográfico
em grade retangular
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
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
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
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
Overlaying - Exemplos
Vegetação
campo
cerrado
overlay de
localização
floresta
campo com 500m
cerrado com 500m
overlay do
tema
Vegetação
500m
700m
Altitude
campo – altitude
média: 500m
cerrado – altitude
média: 600m
floresta – altitude
média: 500m
cerrado com 700m
floresta com 500m
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
Operações Topológicas
• Operações sobre objetos geométricos
– definidos a partir das noções de fronteira e interior
A
B
A
A
B
B
A disjunto B ?
A
B
A
A
B
A
B
A adjacente (toca) B ?
A
B
B
A A
B
B
A
A sobrepõe B ?
A
B
B
Operações Topológicas - Exemplos
A
A
B
A
B
B
B está contido em / cobre A ?
A
A
B
B
A
A
B
B cruza A ?
A
A
A
B
B
B
B acima (N) / abaixo (S) / ao lado (L/O/ Esq / Dir) de A ?
B
A
A
B
B sobre / sob A ?
B
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 - Exemplos
distância A-B
A
A
B
B
A
B
comprimento/perímetro A
área/volume A
A
A
A
A
A
raio de
alcance
r
B
caminho ótimo A B
A
A
B
C
B
Operações Estatísticas
• Análise de propriedades convencionais
associadas a uma região geográfica população
• Exemplos
– contagem de freqüência e histograma
• distribuição de valores
– análise de correlação
Imóvel
< 1000
Próprio
Alugado
SE CE S região
< 2500
< 5000
1544
3456
6898
5876
3780
2099
• comparação de propriedades em uma região
– análise de dispersão
• análise de distribuição de um fenômeno
em uma região
ocorrências de
crimes
Operações em um BDG
•
•
•
•
Análise geo-espacial
Atualização de dados
Consulta a dados
Visualização de dados
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
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
Linguagens de Consulta Textuais
• Exemplo 2 (GeoSQL)
– critério de seleção espacial e resultado misto
select TMunicipio m
indicação do mapa
from LayerUrbano of MapaSC
no qual deve ser
where ((m.população >= 50000) exibido o resultado
and (m.Area() > 1000)
and (m CROSS
select TRio r
from LayerHidrografia of MapaSC
where (r.nome = “Itajaí-Açu”)))
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;
configuração de
parâmetros de
visualização
indicação de resultado
set window
select Via.geometria, Via.nome gráfico
from Via, Cidade
where Cidade.nome = “Florianopolis”
and Via.nome like “F*”
and Via.geometria INSIDE Cidade.geometria
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
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
...
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