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