Modelagem de Dados Geográficos

Modelagem de Dados Geográficos
- Modelo orientado a objetos
- SIG
- Modelagem de Dados
Geográficos (os quatro
universos)
INPE - Divisão de Processamento de Imagens
INPE
Conceitos Iniciais
ƒ Espaço Geográfico - é o meio físico onde as
entidades geográficas coexistem - projeto de
trabalho
ƒ Entidade Geográfica - é qualquer entidade
identificável
do
mundo
real,
possuindo
características espaciais e relacionamentos
espaciais com outras entidades geográficas. Dado
geográfico com dimensão e localização na
superfície da terra
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Conceitos Iniciais
– Dados geográficos - características básicas:
Espacial - informa a posição geográfica do
fenômeno e sua geometria;
Descritiva - descreve a entidade através de
atributos;
Temporais - informam o tempo de validade dos
dados geográficos e suas variações sobre o
tempo.
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Conceitos Iniciais
– Propriedades do dado espacial
- Geométricas : são propriedades métricas que
definem a forma das entidades a partir feições
primitivas ponto, linha e polígono. Alguns
exemplos são comprimento, sinuosidade e
orientação da linha, perímetro, área, volume,
forma e inclinação da linha.
- Topológicas : são baseadas nas posições
relativas dos objetos no espaço tais como
conectividade, orientação (de, para) e adjacência.
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Modelo Orientado a Objetos
• Objeto:
– corresponde à entidade do modelo E-R
– Possui:
• conjunto de atributos
• conjunto de métodos para se acessar seus atributos
e realizar alguma tarefa
• objeto = empregado
atributos (nome, endereço)
métodos: recupera_nome, recupera_endereço
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Modelo Orientado a Objetos
• Objetos de mesma característica são agrupados
em classes
• Cada objeto de uma classe é uma instância
desta classe
– classe empregado:
atributos: nome, endereço, data_início, salário
métodos: recupera_nome, recupera_endereço,
define_endereço, recupera_salário,
tempo_serviço
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Modelo Orientado a Objetos
• Herança:
– classes com características semelhantes
– definir especializações de uma classe
– classes derivadas herdam atributos e métodos da
classe superior
Pessoa
empregado
secretária
administrador
cliente
caixa
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Modelo Orientado a Objetos
• Herança Múltipla
– objetos herdam atributos de vários outros
Transporte
Rodovia
Recurso Hídrico
Rio
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Lago
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Modelo Orientado a Objetos
• Agregação
– objeto superior é formado a partir da combinação de
um conjunto de outros objetos
bicicleta
roda
freio
marcha
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quadro
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Modelo Orientado a Objetos
• Propagação
– característica da classe básica é derivado das classes
componentes
Lote
área
proprietário
Município
Rodovia
área
área
Rio
área
nome
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Modelo Objeto-Relacional
• Extensão do modelo relacional
• Permitem consultas baseadas em termos complexos
• Atributos podem ser coleções de informações
–
–
–
–
–
tipo
tipo
tipo
tipo
tipo
MyString: conjunto de caracteres
MyDate: dia, mês, e ano
Author_List: conjunto de MyString
Keyword_List: conjunto de MyString
Document:
(MyString, Author_List, MyDate, Keyword_List)
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Modelo Objeto-Relacional
create type MyString char varying
create type MyDate ( dia integer, mês char(10), ano integer)
create type Document
( nome MyString, autor_list setof (MyString),
data MyDate, palavras_chave setof (MyString) )
create table doc of type Document
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Características de Banco de Dados
• Relacional:
– tipos de dados simples, linguagens de consulta eficientes,
proteção
• Orientado a objetos:
– tipos de dados complexos, integração com linguagens de
programação, alta performance
• Objeto-relacional:
– tipos de dados complexos, linguagem de consultas
eficientes, proteção
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Sistemas de Informação Geográfica
• Ambiente computacional para
Geoprocessamento
– Integrar dados cartográficos, cadastrais, de
sensores remotos, redes e modelos numéricos
de terreno.
– Consultar, recuperar, visualisar, manipular e
plotar o conteúdo de um banco de dados georeferenciado.
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Estrutura de um SIG
Interface
Entrada e Integração
de Dados
Consulta e Análise
Espacial
Visualização
Plotagem
Gerência Dados
Espaciais
Banco de Dados
Geográfico
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SIG x CAD
• CAD
– coordenadas de papel
– regularidades nos objetos
– desenhos sem atributos
• SIG
Angola
– projeções cartográficas
África do Sul
– topologia do espaço
– atributos descritivos
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Modelagem de Dados Geográficos
interface usuário
Universo
Universo
Mundo real
Conceitual
•
Universo
Representação
Universo
Implementação
Níveis de abstração
mundo real → cadastro urbano, vegetação, solos
conceitual → campos, objetos
representação → matrizes, vetores
implementação → R-trees, quad-trees
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Universo do Mundo Real
• Mapas temáticos
• Mapas cadastrais
• Modelos numéricos de terreno
• Redes
• Imagens de satélite
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O que é um mapa?
• Modelo simplificado da realidade.
• Uma representação, normalmente em
escala, de uma seleção de entidades
abstratas relacionadas com a superfície
da Terra.
• Modelo de dados que se interpõe entre a
realidade e a base de dados de um SIG.
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Tipos de mapa
• Carta topográfica
– representação de superfícies
• Mapas temáticos
– conceitos qualitativos (uso do solo, clima)
• Mapas cadastrais e redes
– localização de objetos do mundo (lotes)
• Imagens de satélite
– informação indireta sobre a realidade
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Mapas temáticos
• Distribuição espacial qualitativa da
grandeza em estudo
• Domínio do atributo
– nominal: lista de valores
• mapa de vegetação
• {floresta, cerrado, desmatamento}
– ordinal: escala de medida
• mapa de classes de declividade
• {0-5%, 5-10%, >10%}
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Modelos Numéricos de Terreno
• Distribuição espacial quantitativa
da grandeza em estudo
• Domínio do atributo
– intervalo: referência arbitrária
• altimetria, batimetria
• temperatura em graus Celsius
– razão: referência natural
• peso, distância
• temperatura em graus Kelvin
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Mapas cadastrais
• Contém objetos geográficos individuais
– mapas de países, lotes, propriedades rurais
PIB
(Us$ bn)
Pop
(milhões)
Brasil
350
159
Argentina
295
34
Chile
45
14
País
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Mapas de rede
• Contém objetos com topologia arco-nó
– utilizado para redes conectadas
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Mapas de rede
• Objetos endereçados no espaço
• Exemplo: rede de distribuição elétrica
– rede primária
– rede secundária
– sub-estações, alimentadores
– postes, transformadores, chaves
– cadastro urbano
– cadastro de consumidores
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Mapas de rede
• Ligação forte com banco de dados
Sub-estações
id
22
label
capacidade
Eng. Dentro
3.000 kVA
Postes
id
label
Transformador
2345 32-17-95
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Classe 3
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Imagens
• Fontes: satélites, fotografias
aéreas
• Elemento de imagem (pixel)
– proporcional à energia
eletromagnética refletida ou
emitida por área da superfície
terrestre
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Modelando a natureza
• O que há num mapa?
• Linhas no mapa
– divisão política
– separação entre tipos de solo
– isolinhas (cota 1000)
• E o mapa como modelo de
dados?
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Universo conceitual
• Campos (variáveis geográficas
contínuas)
– mapa temático
– modelo numérico do terreno
– imagem
• Objetos (variáveis geográficas
discretas)
– linhas de transmissão
– quadras
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Universo conceitual: geo-campo
Geo-Campo: ƒ= [ R, A, λ] , onde: R ⊂ ℜ2, A = { A1, A2, ..., An}
→A mapeia pontos de R
é um conjunto de atributos e λ: R→
para valores em A.
Representa a distribuição espacial de uma variável que
possui valores em todos os pontos pertencentes a R.
Contra-domínio da função
conjunto enumerável = temático
mapa de cobertura vegetal
valores contínuos (-∞ a +∞) = numérico
mapa de aeromagnetometria
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Universo conceitual: geo-objetos
Dadas as regiões geográficas R1,R2,..Rn (Ri⊂ℜ2) e o conjunto de
atributos convencionais A1,...,An,
Geo-Objeto go = [ r1, r2, ..., rn, a1, a2,...,an], onde ri ⊆ Ri é uma
parte de uma região geográfica Ri e ai ∈ Ai é um valor particular
do atributo Ai.
É um elemento único que possui atributos não-espaciais e está
associado a múltiplas localizações geográficas.
País
PIB
Pop
Brasil
800
159
Argentina
300
34
Chile
45
14
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Geo-objetos
• Um geo-objeto, múltiplas representações
•1
id
nome
Amazonas
Xingu
•2
•3
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id
nome
1
Yanomami
2
Waimiri
3
Kayapó
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Mapa cadastral
• Suporte para mapeamento de objetos
Mapa Lotes n. 345
Jardim Esplanada
Lotes
geoid
23
22
dono
endereço
cadastro IPTU
22
Guimarães
Caetés 768
250186
23
Bevilácqua
São João 456
110427
24
Ribeiro
Caetés 790
271055
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Mapas de Rede
cons. 0193516
primária
secun.
tr. 1567
p 92-17-64
p. 92-17-63
Sub-estação
Hospital
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Modelo de Dados - SPRING
Banco de Dados
Geográficos
part-of
part-of
Plano de
Informação
Geo-campo
is-a
Temático
part-of
Geo-objeto
Cadastral
is-a
is-mapped-in
is-a
Numérico
is-a
Dado de Sensoriamento Remoto
Rede
Não-espacial
Banco de Dados Geográficos é composto
por conjuntos de planos de informação,
um conjunto de geo-objetos e
um conjunto de objetos não-espaciais
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Universo de Representação
Plano de
Informação
is-represented-by
Representação
Geométrica
é-um
é-um
Matricial
Vetorial
Plano de Informação é a generalização dos conceitos de
geo-campo e de objeto cadastral
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Representação Vetorial
• Componentes
– ponto, linha, região
– região M={1,2,3,4,5}
• Topologia
– relação espacial entre objetos
– Toulouse fica na região M
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2 3
1
M
5
37
toulouse
4
Topologia
Estrutura topológica do tipo nó-linha-polígono
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Representação Matricial
• Componentes
Le
– matriz de células
– índice espacial
Li
Ls
– cada célula, um valor
Aq
• Indica o que ocorre em cada
lugar do espaço
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Representações para mapas temáticos
• Vetorial
– preserva relacionamentos topológicos
– associa atributos a elementos gráficos
– melhor exatidão e eficiência de armazenamento
• Matricial
–
–
–
–
fenômenos variantes no espaço
adequado para simulação e modelagem
processamento mais rápido e simples
maior gasto em armazenamento
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Universo de Representação TEMÁTICO
Hierarquia de representação
Mapas Temáticos
é representado em
é um
Representação
Geométrica
é um
Representação
Matricial
Representação
Vetorial
é um
é um
Imagem Temática
Conjunto de células de uma matriz 2D
de números inteiros (índices deTab. de
Cores)
* Gerada a partir de mapeamentos de
imagens classificadas ou conversão
vetor - matriz
Temático
Mapas vetorias constituídos de Nós
2D, Linhas 2D e Polígonos
* Gerados a partir da digitalização de
bases existentes, mapeamentos ou
conversão matriz - vetor
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Representações para MNT
Grade regular (matriz de reais)
• elemento com espaçamento fixo
• valor estimado da grandeza
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Representações para MNT
Grade triangular (TIN)
• conexão entre amostras
• estrutura topológica arco-nó
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Universo de Representação - NUMÉRICO
Hierarquia de representação
Modelo Numérico
de Terreno
é representado em
é um
Representação
Matricial
Representação
Geométrica
é um
é um
Representação
Vetorial
é um
é um
ISOLINHA
é um
Conjunto de Linhas 2D com
mesmo valor de cota
* Altimetria
* Curvas de Isovalores
magnéticos
PONTOS COTADOS
Conjunto de Pontos com
coordenadas 3D (x,y,z)
* Pontos Altimetria
* Amostras de Solo (geoquímica)
GRADE TRIANGULAR
Conjunto de Linhas 2D
conectadas a Nós 3D
* Gerada a partir de Isolinhas e/
ou Pontos Cotados (c/ ou s/
linhas de quebra)
GRADE RETANGULAR
Conjunto de células de uma
matriz 2D
* Gerada a partir de Isolinhas e/
ou Pontos Cotados, Grade
Triangular ou outra Retangular
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Representações para MNT
Vantagens
Grade triangular
Grade regular
1. Melhor representação de re-
1. Facilita manuseio e
levo complexo
2. Incorporação de restrições
como linhas de crista
conversão
2. Adequada para geofísica e visualização
3D
Problemas
1. Complexidade de manuseio
2. Inadequada para visualização 3D
1. Representação de relevo complexo
2. Cálculo de declividade
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Universo de Representação CADASTRAL
Hierarquia de representação
Mapa Cadastral
é representado em
Representação
Geométrica
Cadastro
é um
Representação
Vetorial
é um
Mapas vetorias constituídos de Nós
2D, Linhas 2D e Polígonos
* Gerados a partir da digitalização de
bases existentes, mapeamentos
(levantamento topográfico, gps e
trena)
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Universo de Representação - REDES
Hierarquia de representação
Mapa de Redes
Redes
é representado em
Representação
Geométrica
é um
Representação
Vetorial
é um
Mapas vetorias constituídos de Nós de
rede 2D e Linhas 2D orientadas
* Gerados a partir da digitalização de
bases existentes, mapeamentos
(levantamento topográfico, gps e
trena)
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Representações computacionais para mapas
Vetorial
Mapas temáticos
Arco-nó-polígono
Mapas Cadastrais
Arco-nó-polígono
Mapas de Rede
Arco-nó
Modelos numéricos de
terreno
Imagens
Grades triangulares
ou isolinhas
Matricial
Matriz de bytes
Matriz de reais
Matriz de inteiros
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Universo de Implementação
Modelagem de Dados em Geoprocessamento
• As estruturas de dados e algoritmos para manipulação
dos dados geográficos são escolhidos (nível de
codificação)
• Deve-se considerar:
; desempenho
; capacidade do equipamento
; tamanho da massa de dados
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SPRING: Modelo Conceitual
BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS
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