Sistema genérico de apoio à decisão
em problemas espaciais multidimensionais
Luís Miguel Alçada Tomás de Almeida
Faculdade de Economia da Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal
alcada@inescc.pt
João Manuel Coutinho Rodrigues
Dep. Engenharia Civil, Fac. Ciências Tecnologia Univ. Coimbra, Coimbra, Portugal
coutinho@dec.uc.pt
Resumo
Neste artigo apresentam-se os princípios gerais que orientam o desenvolvimento de um Sistema de Apoio à Decisão Espacial (SADE ou SDSS – Spatial Decision Support System) dedicado à representação e análise de problemas multidimensionais dinâmicos. Estes problemas são caracterizados pelo facto de, durante o processo de decisão, serem tidas em conta múltiplas características que apresentam comportamentos dinâmicos. A percepção dessa dinâmica manifesta-se ao percorrer as várias dimensões que definem o domínio deste tipo de problemas. Nesse percurso podemos encontrar características estáticas, juntamente com outras que variam: com a posição, com a passagem do tempo, com parâmetros contextuais de outro tipo (temperatura, pressão, etc.) ou com qualquer combinações dos três anteriores.
O impacto entre as dinâmicas das diferentes características constituintes do problema é o objecto principal de análise do SADE. Este estudo pode ser baseado na variação espaço-temporal contínua das características, quando disponível, ou na forma discreta dessa variação, quando as medições forem realizadas por amostragem. A análise gráfica agregada dos vários impactos existentes permite: estudar o comportamento de soluções (quando definidas explicitamente), ou identificar potenciais soluções (quando implicitamente). Essas soluções podem consistir da determinação de localizações, de topologias de ligação, do dimensionamento de serviços prestados (em redes ou em pontos), etc.
Todos os desenvolvimentos efectuados no âmbito deste trabalho são orientados por dois objectivos, conflituosos, mas de satisfação essencial num sistema com estes propósitos. A definição de modelos possuidores de extrema flexibilidade representativa e analítica, proporcional à grande diversidade que pode revestir uma qualquer ocorrência espacial; a utilização de modelos estruturados e rígidos de representação e análise que possibilitem o desenvolvimento consistente e eficaz de processos integrados de apoio à decisão. A juntar aos compromissos estabelecidos na satisfação destes dois interesses, aparentemente opostos, surge uma outra preocupação dominante: a disponibilização de um interface gráfico de manipulação directa que acompanhe todo o processo de decisão, desde a definição dos problemas, à análise dos resultados.
Palavras chave: Sistemas de Informação Geográfica, Sistemas de Apoio à Decisão, Sistemas
1 Introdução
São inúmeros os processos de decisão que envolvem uma importante dimensão espacial. A metodologia clássica de apoio à decisão falha na captação das particularidades inerentes a esta dimensão, ao tratar a informação espacial de uma forma semelhante aos restantes atributos unidimensionais das soluções. No entanto, esquecendo esta inaptidão para lidar com as particularidades inerentes à informação espacial, a metodologia clássica oferecia uma solução representativa para abordar um vasto leque de problemas de decisão.
O grande desenvolvimento ocorrido na última década, na área dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG), veio conferir a estes sistemas grandes potencialidades de representação, e algumas capacidades de análise, de problemas de decisão em que a componente espacial constitui um aspecto importante. Em consequência deste desenvolvimento, foram desenvolvidos sistemas de apoio à decisão espacial que, utilizando as capacidades representativas e analíticas dos SIG, captavam e abordavam, na sua especificidade, a dimensão espacial desses problemas. No entanto, a construção destes sistemas foi orientada pelas particularidades do problema a abordar [[Parafina 1995], [Walker 1995], [Kim 1995]], não sendo por isso fácil a sua adaptação a problemas com particularidades distintas das do original. A maior dificuldade de integração residia essencialmente no facto de, cada sistema, utilizar modelos diferentes de representação de dados e processos [Worboys 1998].
Este artigo descreve os fundamentos de um SADE com modelos conceptuais, lógicos e funcionais, suficientemente flexíveis para abarcar as múltiplas particularidades que podem revestir um Problemas de Decisão Espacial (PDE) e suficientemente estruturados, possibilitando o desenvolvimento de uma nova categoria de métodos genéricos para abordar estes problemas: os Métodos de Apoio à Decisão Espacial (MADE). As aplicações do sistema incluem:
• Problemas espaciais monoparâmetro: problemas de localização simples ou múltipla, de ligação simples ou múltipla, de afectação, de circulação em redes, de dimensionamento de serviços prestados em localizações (potência de emissores, capacidade de escolas) ou em redes (capacidade de depósitos de água, gestão de recolha de resíduos sólidos).
• Problemas espaciais multiparâmetro: as características dos elementos constituintes do problema podem depender de outras circunstâncias para além da localização pontual onde são medidas. Um parâmetro habitual deste tipo de problemas é o tempo, mas, consoante as aplicações, podemos deparar com parâmetros de outro teor como a temperatura, pressão, etc. Nesta categoria incluem-se todos os problemas do ponto anterior, acrescentando-lhes a dinâmica temporal, e ainda, a simulação de impactos entre características com evolução temporal (problemas ambientais e outros fora da área geográfica - choques, óptica, etc.).
Os problemas indicados podem ser analisados de forma inteiramente espacial, sem sair do âmbito do SADE. Poderá também ser gerado um conjunto discreto de soluções ‘interessantes’ a analisar, de forma igualmente discreta, utilizando a metodologia multiatributo. O SADE comunica com o sistema Polyhedra [Alçada-Almeida 1999] gerando a matriz de impacto em formato adequado. Os valores que preenchem a matriz são recolhidos pelo SADE atravessando as camadas de informação espacial e recolhendo as classificações das potenciais soluções.
2 O Sistema de apoio à decisão espacial
Este tipo de sistema pretende auxiliar a decisão em problemas onde as características espaciais assumem um papel dominante. Isso não sucede se apenas pretendemos localizar as soluções num mapa, mas sim se o problema estiver definido, em grande parte, no próprio mapa.
2.1 Generalidades
Podemos afirmar que a característica espacial que tipifica o SADE assenta, não na localização pura e simples das soluções, mas sim no facto de, na determinação dessas mesmas soluções, intervirem características que variam com a posição espacial. A conjugação de valores das suas distribuições determina o comportamento espacial da preferência global do AD.
Tomando como exemplo o problema da localização de uma nova escola, podemos considerar que estamos na presença de um problema de decisão espacial. Isto não só porque a solução deverá ser localizada num mapa mas, essencialmente, porque há um conjunto de aspectos de natureza espacial a ter em conta no processo de decisão: a localização da procura, a localização de áreas de solo livres e adequadas à instalação e respectivas acessibilidades, a localização de eventuais fontes de ruído, poluição ou risco a evitar e, inclusivamente, a localização de unidades já existentes a prestar o mesmo serviço. A localização não de uma unidade, mas de várias, vem aumentar naturalmente a complexidade do problema. Esta pode ainda aumentar se, além da localização pura e simples, quisermos ainda planificar as respectivas capacidades de oferta.
2.2 Objectivos
O objectivo principal do SADE será o fornecimento de visualizações gráficas estruturadas do já referido comportamento espacial da preferência do AD, incrementando assim o conhecimento que ele possui sobre a área em estudo. Como complemento, deve o SADE efectuar a avaliação de configurações de soluções, fixadas pelo AD como consequência da análise gráfica efectuada. Como objectivos secundários o SADE deve ainda descrever o comportamento dessa preferência quando se alteram ou adicionam componentes ao problema, bem como permitir o aprofundamento deste estudo, a uma maior definição, em regiões seleccionáveis pelo AD.
A definição do SADE contempla ainda o aspecto da multi-utilização. Todas as acções com repercussão no armazenamento de dados, ficam associadas ao utilizador que as levou a cabo podendo, no seu conjunto, influenciar o mesmo processo de decisão. Especialistas em diferentes áreas (zoologia, geologia, botânica) podem construir, e analisar em paralelo, problemas de decisão relacionados com impactos ambientais. A qualquer momento, qualquer AD pode optar por considerar, ou ignorar, as acções de qualquer dos restantes intervenientes no processo, bem como atribuir diferentes importâncias às mesmas e observar as consequências nos resultados.
2.3 Componentes do SADE
O SADE apresentado neste trabalho é basicamente composto por: • um módulo de interface com os AD;
• um módulo de interface com uma base de dados; • um módulo de apoio à decisão.
2.3.1 Interface com o AD
O interface com o AD baseia-se na manipulação directa das representações gráficas dos problemas, utilizando o interface gráfico espacial. Essas acções serão frequentemente complementadas com a introdução de informação adicional do tipo alfanumérico, quer para aumentar o rigor da informação introduzida espacialmente, quer para associar informação de teor não espacial. Para tal, é utilizado o interface gráfico baseado em diálogos assíncronos. O interface gráfico espacial recorre a representações visuais dos PDE, utilizando camadas sobrepostas de informação espacial onde o utilizador cria objectos, define e associa funções a esses mesmos objectos para descrever as suas características. Essas representações têm frequentemente uma camada estática de fundo (mapa), contendo uma imagem padrão da região estudada. Esta camada não tem qualquer influência no processo de decisão que não seja a simples orientação do utilizador no estabelecimento e análise de localizações.
O interface gráfico baseado em diálogos envolve todas as ferramentas de interacção com o AD, através das quais ele possa introduzir ou alterar informação do tipo alfanumérico ou gráfico. Esta forma de edição pode ser levada a cabo numa modalidade do tipo “escolha múltipla”, ou em forma de “edição livre”. As ferramentas de interface que intervêm maioritariamente neste contexto serão as “barras de menus” independentes com os seus “menus” e respectivos “itens” (comandos) e as janelas flutuantes onde aparecem os habituais “pop-up-menus”, “listas de selecção”, “caixas de texto”, “check-boxes” e “botões” de vários tipos.
O funcionamento conjunto das duas componentes do interface Homem/Máquina (mapas e diálogos) baseia-se no princípio da complementaridade. Após uma acção de manipulação directa do interface gráfico, o sistema pode solicitar ao AD, através de diálogos, informação obrigatória para completar a acção. Caso essa informação não seja obrigatória, pode o AD invocar a base de diálogos para completar ou corrigir a informação associada à acção espacial executada. Por outro lado, pode a acção primária consistir de uma edição através da base de diálogos. Neste caso o interface espacial reflecte as eventuais repercussões dessa acção.
2.3.2 Interface com base de dados
A informação associada a uma ocorrência espacial pode assumir grande variedade estrutural. A necessidade de armazenar volumes muito extensos de informação, assegurando simultaneamente, a sua integridade, uma acessibilidade eficiente e uma grande flexibilidade estrutural, tornam o módulo de gestão de informação uma componente crucial para o bom desempenho do SADE. A opção pelo modelo relacional é plenamente justificada pelas necessidades enumeradas. Do ponto de vista estrutural é o modelo mais rico e flexível para adaptar a qualquer necessidade representativa e também, dada a sua implantação generalizada, é no âmbito deste modelo que encontramos os Sistemas de Gestão de Bases de Dados mais eficazes (SGBDR - Relacionais), quer no que respeita ao armazenamento compacto de enormes volumes de informação, quer no aspecto da segurança, manipulação e pesquisa de dados. Para rentabilizar ao máximo as potencialidades do SGBDR, toda a informação manipulada pelo SADE é aí armazenada (modelo integrado). Contrariamente a grande parte dos SIG que armazenam apenas um código de ligação aos objectos, ficando toda a informação espacial no subsistema gráfico (modelo híbrido) [Goodchild 1992], neste trabalho, as coordenadas dos elementos são armazenadas com a restante informação, tornando mais eficiente o acesso a qualquer dado indispensável aos modelos de decisão. Nos SIG baseados no modelo híbrido é dada maior ênfase à performance na visualização, selecção e inspecção das propriedades dos objectos. Neste trabalho esse aspecto, se bem que não descurado, têm menos relevo.
2.3.3 Apoio à decisão
O apoio à decisão baseia-se no princípio da indução e análise de impactos entre características dos elementos que definem um PDE. Essas características são descritas utilizando componentes alfanuméricas, gráficas e funções de distribuição, e apresentam um comportamento próprio quando encontram, no mesmo ponto do espaço (tempo, etc.), outras características ou propriedades com as quais possuam impactos definidos. Esse comportamento, e consequente repercussão na análise de cada PDE, depende do tipo de impacto existente entre elas.
As características dos elementos constituintes do PDE apresentam, em geral, comportamentos dinâmicos, variando ao longo das diferentes dimensões do problema. É de prever que os impactos definidos entre elas traduzam, de algum modo, essa dinâmica. Podem fazê-lo:
• Apresentando, eles próprios, uma variação espacial (temporal, ...) que traduza a agregação das variações conjuntas das características envolvidas pelo impacto. Essa agregação será levada a cabo seguindo algum critério, próprio do tipo de impacto definido e, ainda, de acordo com eventuais parâmetros adicionais introduzidos pelo AD na definição.
Caso o impacto seja do tipo ‘sobreposição’ podemos ter uma característica que descreva a variação da densidade populacional e outra que descreva a variação do nível médio de dioxínas. O impacto óbvio existente entre estas duas características pode contribuir para a análise global, apresentando uma distribuição espacial (livre) do nível médio de dioxína por habitante. Considerando agora um impacto do tipo ‘disseminação’, podemos encontrar uma característica que classifique pontos de interesse numa rede urbana e outra que tipifique os fluxos dos vários troços dessa rede. O impacto pode, neste caso, apresentar uma distribuição espacial (restringida à rede) do interesse em adquirir residência, tendo em conta a acessibilidade aos pontos de interesse (ponderada pela classificação).
• Apresentando uma avaliação ‘totalizadora’ da configuração das características em impacto. Essa avaliação terá em conta a forma combinada como as características se comportam ao longo de todo o domínio de variação (pode incluir limites espaciais e temporais) e produz um resultado que condensa, de alguma forma, o comportamento global.
No primeiro exemplo apresentado no ponto anterior, vamos supor que a característica de emissão de dioxínas se obtém a partir das fontes emissoras (utilizando os seus débitos, topologia do terreno e ventos dominantes). O SADE pode analisar configurações impostas pelo AD para localizações de fontes poluentes e devolver diferentes indicadores globais de performance para cada configuração (número de habitantes sujeitos a concentrações inadmissíveis, concentração média por habitante, etc.).
A dinâmica que tipifica as características dos elementos de um PDE pode manifestar-se: • com o deslocamento livre ou ao longo de redes (altimetria, estado superficial de uma via de
comunicação);
• com a passagem do tempo (proprietário de uma parcela de terreno);
• com a fixação de parâmetros contextuais, como sejam a temperatura, pressão, optimismo, etc, possibilitando que o processo de caracterização reflicta diferentes enquadramentos; • com combinações de parâmetros correspondentes às dimensões espacial, temporal e
A interferência entre as dinâmicas das diferentes características constituintes do problema é o objecto principal de análise do SADE. Este estudo pode ser baseado na variação espaço-temporal contínua das características, quando disponível, ou na forma discreta dessa variação, quando as medições forem realizadas por amostragem.
O apoio à decisão num SADE assim definido tem duas vertentes de utilização distintas:
• Avaliação/Selecção - O problema é definido pela criação de camadas de informação espacial onde se colocam os objectos, associados a funções que definem as suas características; são definidos os impactos entre pares, ternos, etc., de características, bem como parâmetros indicadores de tipificação e importância relativa entre impactos. Pretende-se uma avaliação global da configuração definida pelo PDE.
• Concepção/Análise - O problema é definido da mesma forma mas não está incluído nessa definição qualquer dado ou pressuposto relativo àquilo que se pretende obter com a utilização do SADE. Neste tipo de utilização pretendemos estudar a variação espacial da “aptidão” para o fim pretendido pelo AD. Nesta forma de utilizar o sistema, o AD não possui à partida um conjunto bem definido de soluções (acontece frequentemente em problemas de engenharia urbana e planeamento territorial), pretendendo, ao invés, conhecer as regiões globalmente mais favoráveis.
As duas perspectivas de utilização atrás definidas não pretendem proceder a uma classificação dos problemas a abordar pelo SADE. Em qualquer uma das vertentes de utilização definidas podemos deparar com os vários tipos de problemas já referidos. Podemos mesmo deparar com problemas mistos que incluam aspectos englobados pelos diferentes tipos. Assim, podemos encontrar um problema de localização que tenha em conta a rede de transportes públicos e suas características de circulação, frequência e volume de serviço prestado, ou um problema de circulação em redes que tenha em conta a localização de aspectos exteriores à própria rede como sejam as características geológicas dos terrenos, paisagens, etc.
3 Problemas de decisão espacial
A definição dos PDE constitui o aspecto fulcral da utilização bem sucedida do SADE proposto. Em problemas de média e grande dimensão esta definição envolve um esforço considerável por parte do AD, inicialmente, ao nível da estruturação e modelação do problema de acordo com os pressupostos do SADE e, em seguida, um volume considerável de acções nos interfaces gráfico e de diálogos de modo a definir, da forma o mais rigorosa possível, todas as localizações espaciais, contornos, funções, impactos, etc.
Passada esta primeira fase de edição intensiva, pretende-se que a utilização seja agradável e produtiva. Podendo eventualmente ser necessário voltar aos interfaces gráficos e de diálogos para complementar ou ajustar alguns aspectos da definição do problema, a utilização consistirá maioritariamente na manipulação directa, intuitiva e interactiva de pequenos volumes de informação associados, em geral, à definição do quadro de preferências do AD.
3.1 Modelos conceptuais de representação de um PDE
O SADE proposto neste estudo tem como objectivo ambicioso representar todo e qualquer problema de decisão com características marcadamente espaciais. Além do propósito representativo genérico (que pela sua abrangência constitui, por si, um objectivo complexo), são ainda ambicionadas, para o sistema, capacidades de análise de decisão que provem ser funcionalmente independentes do problema concreto a abordar. Para tal recorreu-se a uma combinação de conceitos típicos do GIS (objectos, camadas, ...), com entidades matemáticas (funções, operadores, ...). A esta combinação adicionaram-se outros conceitos associados aos processos tipicamente humanos de organização e caracterização do conhecimento sobre as “entidades” com quem partilhamos o mundo que nos rodeia. A integração e sistematização destes últimos conceitos implicou um estudo exaustivo das propriedades de que se podem revestir essas “entidades” (vivas, inanimadas, materiais, conceptuais, ...). Nessa sistematização procedeu-se a um agrupamento dessas propriedades (a que vamos denominar “Características”) em famílias, consoante o objectivo global inerente à caracterização. Encontramos assim características relativas à identificação das “entidades” (Designações, IDs, ...), outras associadas à localização, à forma e espaço ocupado, ao aspecto físico, etc. Podemos ainda encontrar outros agrupamentos de características, livremente definidos pelo utilizador (quer o grupo, quer as características constituintes) de acordo com as necessidades representativas do momento: características de emissão de gases (emissão de CO, Ozono, ...), características demográficas, características geológicas, etc.
Um dos contributos dados neste trabalho pretende ser o próprio processo de sistematização que temos vindo a referir nos últimos parágrafos. O processo em si, a sua integração numa estrutura genérica de representação inerente ao SADE, e os algoritmos de análise espacial genéricos em implementação, independentes dos problemas definidos utilizando este enquadramento. Este contributo para a área do apoio à decisão espacial estende-se ainda ao estudo e generalização do comportamento conjunto de características com influência mútua. Esta interacção, que denominamos “Impacto”, tem uma influência decisiva nos resultados dos métodos de apoio à decisão espacial. No decurso deste trabalho são apresentadas as duas grandes famílias de impactos entre características: os impactos de sobreposição, quando as características interagem
apenas no caso de se interceptarem as respectivas regiões (espaço temporais) de influência e a interacção apenas se dá nessa intercepção de regiões (exemplo da interacção entre o depósito de poluentes e a densidade populacional); os impactos de disseminação quando umas características espalham a influência de outras características através do espaço-tempo livre ou sobre redes (exemplo de um caudal de emissão num ponto de um curso de água).
No contexto do SADE, o PDE pertence a uma classe de informação: o Problema. É definido com recurso a informação intrínseca e por associações às seguintes classes de informação:
• os Objectos distribuídos opcionalmente por uma ou várias Camadas, com uma forma base definida por uma sequência ordenada de Polígonos;
• as próprias Camadas de informação espacial;
• os Mapas que servem de bastidor a uma ou várias Camadas;
• os Polígonos definidos por uma sequência ordenada de Pontos ou Linhas Poligonais; • as Linhas Poligonais definidas por uma sequência ordenada de Pontos;
• as Categorias que tipificam os Objectos ou as Camadas;
• as Características que se podem definir para qualquer um dos tipos de elemento acima sublinhados, descritas individualmente utilizando componentes numéricas, textuais, picturais e Funções de distribuição multidimensionais;
• os Impactos de vários tipos que se podem definir entre grupos de Características.
Os elementos sublinhados representam os conceitos chave da definição dos PDE, justificando uma definição prévia aprofundada. Analisando a estrutura relacional surgirão outros conceitos associados que, dada a sua menor importância e fácil apreensão, não serão aqui detalhados. De forma esquemática podemos ver, na fig. 1, as relações existentes entre as diversas classes de informação componentes de um PDE.
Problemas Camadas Mapas Objectos Polígonos Pontos Linhas Poligonais Categorias Características Funções Impactos
O significado das setas duplas e simples está relacionado com a pluralidade da relação existente. Analisando o esquema da fig. 1, chegamos à conclusão que um problema pode usar várias camadas e vários mapas. Em sentido inverso, um mapa pode ser utilizado em diferentes problemas (região comum) mas, uma camada, fica associada ao problema onde foi criada. O mesmo se passa com os objectos. Quer sejam associados directamente, quer indirectamente, através das suas camadas, apenas podem pertencer a um único problema.
O problema é criado através da indicação do conjunto de parâmetros do sistema de que depende. Esses parâmetros incluem, em princípio, os do tipo espacial (coordenadas cartesianas ou polares), complementados, ou não, com um parâmetro temporal (absoluto ou relativo) e com parâmetros de outro tipo que permitam definições paralelas do problema. Para cada parâmetro é ainda necessário indicar a sua unidade de medida, a sua precisão e os limites do intervalo de variação. Fica definido o âmbito que pode ser revelado por designações de problema como: “Emigração na Europa nos anos 20”, “Gestão de consumos urbanos de água”, “Planeamento do fluxo pedonal diurno na Baixa de Coimbra” ou “Definição de acessibilidades ao centro urbano”.
3.1.1 As camadas de informação espacial
As camadas representam um subdomínio dentro do universo do problema. Para definir uma camada é necessário indicar novos limites para um subconjunto de parâmetros do problema envolvente. Esses novos limites têm que estar contidos naqueles definidos para o mesmo parâmetro no problema. As camadas servem ainda para separar as ocorrências por categoria. Poderemos encontrar, nos 4 exemplos de problemas atrás indicados, camadas designadas “Emigrantes Portugueses em França nos Anos 20” (separação de categoria e restrição no espaço), “Consumos nocturnos de água em Celas” (restrição no espaço e no tempo), “Fluxo pedonal entre 12H e 14H na Baixa de Coimbra” (restrição no tempo) ou “Acessibilidades usando transportes públicos em hora de ponta” (separação de categoria e restrição no tempo).
3.1.2 As categorias de informação espacial
As categorias representam uma forma de agrupar ocorrências espaciais por tipo. Geralmente conseguimos averiguar a que categoria uma ocorrência espacial pertence, obtendo resposta para a seguinte questão: “Independentemente do nome próprio desta ocorrência (identificação) estamos na presença de quê?”. As respostas poderão ser: “um curso de água”, “um edifício”, “um rio”, “um quartel de bombeiros”, etc. Isto sugere, por um lado, que a resposta à questão pode não ser única e, por outro, que podemos estabelecer relações hierárquicas entre categorias.
3.1.3 Restantes elementos gráficos
Para estabelecer a forma e localização das ocorrências, são utilizados os polígonos. Para os objectos mais simples é necessário um polígono fechado referenciando o interior. A utilização de uma sequência ordenada de polígonos serve para representar objectos mais complexos, como aqueles constituídos por várias partes ou objectos não convexos, por exemplo, englobando uma zona vazia (polígono exterior referenciando o interior e um interior referenciando o exterior). Por sua vez, os polígonos recorrem a um conjunto ordenado de pontos ou linhas poligonais para definir a forma. A forma dos polígonos é primariamente definida, na edição, usando a sequência ordenada de pontos. Durante o processamento, o SADE pode construir a definição equivalente usando linhas poligonais. Esta estrutura, apesar de redundante, aumenta a eficiência na detecção de alguma relações topológicas essenciais como seja a partilha de fronteiras entre áreas.
3.2 O Processo de caracterização
O processo de caracterização dos elementos constituintes dos PDE (objectos, categorias, camadas, etc.) consiste no ponto fulcral da definição. É o comportamento conjunto dos valores das várias características dos elementos, em especial daquelas com comportamentos dinâmicos, que condicionam todas as análises efectuadas pelo SADE.
Os MADE implementam diferentes formas de agregar informação espacial. Essa agregação espacial pode ser devolvida ao AD: sob a forma espacial (distribuições de valores), sob a forma de estabelecimento de classificações (avaliação de diferentes configurações), como selecção ou eliminação de elementos, etc. As respostas dos métodos têm um aspecto comum: utilizam sempre que possível o interface gráfico de edição bem conhecido do AD.
Sempre que referimos forma e localização de elementos, vimos a utilizar o conceito de “forma e localização básicas”. Deve-se ao facto de a forma e localização dos elementos poderem entrar na regra geral do processo de caracterização. Um qualquer elemento de forma simples ou composta (ex. E.N. n.º 342) pode apresentar uma forma que sofre alterações de acordo com um parâmetro não espacial do SADE como seja o tempo relativo (sucessão de datas medidas relativamente ao ano 1 D.C.). Esta forma dinâmica poderá ser um dado de entrada, estabelecido pelo AD para descrever a evolução verificada na estrada, ou poderá ser resultado de um método, indicando o esquema de intervenção de acordo com um plano faseado de investimentos.
Existem duas estratégias distintas de descrever as características dos elementos. Uma forma directa onde são associadas componentes alfanuméricas, imagens e funções, individualmente a cada ocorrência e, uma forma indirecta, onde as ocorrências são separadas por categorias, actuando o processo de caracterização, indirectamente, por intermédio das mesmas.
3.2.1. Caracterização directa
Este processo é utilizado quando, apesar das ocorrências pertencerem a uma mesma categoria, não existe uma forma de generalizar a descrição de uma das suas características. Considerando um conjunto de antenas emissoras (ocorrências da mesma categoria), podemos definir uma característica numérica “potência da antena” que, caso não seja igual para todas as antenas, será atribuída individualmente. No entanto, uma nova característica “variação espacial do sinal”, dependente da primeira, poderá ser definida por categoria caso a variação em causa dependa apenas da potência de cada antena e do afastamento. Teríamos uma característica individual estática “potência da antena” e uma característica colectiva “variação espacial do sinal”.
A caracterização directa das ocorrências espaciais é levada a cabo associando-lhes dados alfanuméricos e picturais para as fracções não dinâmicas, e funções para as fracções dinâmicas. Essas funções podem devolver, igualmente, dados alfanuméricos ou picturais mas, o valor desses dados, varia com os argumentos passados. Entre outros, esses argumentos podem incluir:
• Coordenadas espaciais absolutas - tomando como exemplo as coordenadas [x, y], a caracterização assume valores consoante as localizações no plano [X, O, Y].
• Valor de um outro parâmetro do SADE, como seja o tempo - a caracterização da ocorrência assume configurações diferente à medida que se faz variar o instante corrente. É possível descrever a variação das densidades populacionais dos concelhos de Portugal ao longo das últimas 5 décadas, sendo inclusivamente possível descrever eventuais alterações na forma dessas ocorrências espaciais (concelhos) ao longo do mesmo período temporal. • Distâncias espaciais relativas - por exemplo, a distância euclidiana a um ponto ou objecto,
ou a distância ao longo de um percurso. No primeiro caso podemos descrever uma característica que dependa do afastamento à ocorrência (depósito de poluentes no solo, emitidos por uma fábrica), no segundo, uma característica que dependa da distância percorrida sobre um caminho (n.º total de acidentes ocorridos ao km x em 1996 na E.N. 1). • Valor de uma outra característica da mesma ocorrência - exemplo acima relatado onde uma
característica dinâmica “variação espacial do sinal” depende de outra característica estática “potência da antena”.
As funções utilizadas nas caracterizações podem recorrer a elementos gráficos para definir: • A sua região de influência - limitar a região afectada por uma característica descrita por
uma função espacial.
• A referência para alguns dos seus parâmetros - quando passados parâmetros envolvendo distâncias relativas a pontos ou contornos, medidas no espaço aberto, ou sobre percursos.
Assim, podemos definir uma característica “variação de sinal” de uma ocorrência “emissor” que, dentro de um polígono que o envolve, cresce com a distância Euclidiana ao emissor (por exemplo, até 100m cresce 0.1db/m) e, no exterior desse polígono, decresce ilimitadamente com a distância Euclidiana ao próprio contorno do polígono. Neste exemplo o polígono serve como limitador de influência da primeira função, e referência para os parâmetros da segunda.
Podemos igualmente definir uma característica de acessibilidade a um centro urbano que assume o valor 100 em nós ideais da rede urbana e depois decresce em função do percurso de afastamento. Neste exemplo, caso a característica acessibilidade dependa apenas da distância percorrida, podemos completar a caracterização utilizando apenas uma função que devolva um valor em função do afastamento. Caso queiramos envolver no processo de decisão outras características da rede, como sejam as características de fluxo e estado do pavimento, teríamos que definir essas características individualmente e utilizar um impacto apropriado entre elas. Este seria tipicamente um impacto de disseminação em redes.
Contrariamente aos impactos de sobreposição já referidos, os impactos de disseminação não produzem efeitos apenas quando as características envolvidas ocorrem no mesmo ponto espaço-temporal. Pelo contrário, estes impactos partem de uma característica estática localizada num ponto ou linha (hiperponto ou hiperlinha - fixação de valores para parâmetros espaciais, temporais, etc.) e espalham o seu âmbito de acção ao longo do espaço (livre ou segundo percurso) ou mesmo ao longo do tempo. O âmbito da acção e a distribuição de valores produzida, ficam dependentes dos valores das características individuais envolvidas pelo impacto. Assim, voltando ao exemplo da acessibilidade a um centro urbano, poderíamos definir uma característica não dinâmica “interesse” entre 0 e 100, a associar directamente a nós estratégicos da rede urbana e uma característica dinâmica “qualidade do pavimento” a variar ao longo de toda a rede. O impacto de disseminação partiria dos diversos valores da característica localizada “interesse” e iria disseminá-los por toda a rede, provocando uma maior atenuação ao longo de troços em mau estado e, uma menor atenuação, ao longo de troços em melhor estado. O mesmo tipo de impactos de disseminação são utilizados em situações onde existam pontos geradores de poluentes (chaminés, esgotos, etc.) com características locais a descrever o volume de emissões (características estáticas ou dinâmicas, variando no tempo) e, existam ainda, um conjunto de características com influência na disseminação (curso e caudal dos rios no caso dos esgotos, direcção, intensidade do vento e topografia do solo no caso das chaminés). Nestes exemplos, a distribuição resultante destes impactos iria descrever a variação espacial da qualidade do ar ou da água de forma absoluta (valores médios para um período em estudo) ou ao longo do tempo (variação temporal e espacial da qualidade do ar e da água).
3.2.2. Caracterização indirecta
Esta forma de descrever as características das ocorrências é utilizada quando se pode sistematizar o seu comportamento para todas as ocorrências da mesma categoria. É o que acontece quando as referidas características podem ser descritas em função de aspectos comuns às ocorrências (existem para todas, independentemente de apresentarem valores diferentes):
• A posição e as diferentes maneiras de medir o afastamento a essa posição - distância euclidiana, ou segundo percursos, ao centróide ou ao contorno.
• Outras características que as ocorrências tenham em comum. • A forma e o espaço associado que ocupam.
Já não podem ser descritas indirectamente, utilizando a categoria, características que dependam de aspectos que não se encontrem em todas as ocorrências, ou que dependam de forma particular de alguns aspectos de algumas ocorrências. Podemos destacar:
• Características que usam funções de distribuição limitadas, ou referenciadas, por polígonos (ou outro tipo de elementos gráficos) de forma não determinável a partir da forma da ocorrência caracterizada.
• Características definidas por isolinhas (linhas que unem pontos de igual valor) sempre que a forma destas não seja determinável a partir da forma das ocorrências a caracterizar.
A possibilidade de descrever as características das ocorrências espaciais por intermédio das respectivas categorias simplifica bastante o processo de edição. Basta considerar uma situação em que temos uma rede de estradas com a forma e características de fluxo já definidas para todas as ocorrências. Caso consigamos caracterizar o ruído gerado exclusivamente pela rede recorrendo apenas às suas características de fluxo e a outros aspectos exteriores (topografia do terreno, densidade de vegetação, etc.), poderemos especificar de uma vez essa caracterização. Caso contrário, será necessário descrever o comportamento do mesmo ruído, manualmente, para todas as secções da rede (por amostragem em pontos, por isolinhas, etc.).
3.3 O Modelo Relacional
Como já foi atrás referido, a opção pelo modelo relacional é plenamente justificada pela extrema necessidade de flexibilidade na caracterização das ocorrências espaço-temporais. Na fig. 2 é apresentada uma fracção do modelo lógico de suporte do SADE, nomeadamente, a que diz respeito à representação dos elementos constituintes do PDE. Nessa figura não estão incluídas muitas tabelas (essencialmente de descodificação de valores) a que se faz alusão por intermédio de chaves estrangeiras (Utilizadores, Tipos de Dados, Tipos de Parâmetro, etc.), caso
contrário, o volume e complexidade dos relacionamentos desviaria a atenção do essencial que é, neste ponto, a estrutura lógica dos elementos chave dos PDE a abordar pelo SADE.
Fig. 2 – Fracção do modelo relacional – Componentes de um PDE.
O processo de caracterização dos elementos envolve a definição completa das suas características. A descrição de cada característica envolve dois aspectos distintos a considerar. Numas situações só fará sentido um aspecto, noutras outro e, em algumas, ambos:
• Aspecto não espacial – Pode envolver componentes alfanuméricas e picturais, em qualquer ordem e combinação. Na definição da característica são indicados, passo a passo e livremente, os seus componentes. Cada componente inclui o nome, tipo de dados, obrigatoriedade e pluralidade. Podemos definir uma característica ‘aspecto’, associável a habitações, que seja composta por várias imagens fotográficas (repetição) tiradas às diferentes divisões e fachadas. Podemos igualmente definir uma característica ‘propriedade’ associável a parcelas de terreno, composta por um número de contribuinte (inteiro), nome (texto curto), número de matriz (inteiro) e valor matricial (real).
A componente não espacial apenas indica que, o processo descritivo, não recorre a distribuições espaciais. Contudo, a fracção não espacial da caracterização pode depender de outros parâmetros. Na característica ‘propriedade’, o número de matriz pode manter-se estático durante todo período. Já o número de contribuinte e nome podem variar em conjunto, assincronamente com o valor matricial. O efeito de variação é conseguido
parametrizando as componentes da caracterização (fixando limites). Assim, é possível observar a evolução das características, ou analisar uma configuração em qualquer instante. Dada a impossibilidade de incluir, no modelo relacional, tabelas que previssem todo o tipo de formatos a dar às características dos elementos e, por não se pretender dar ao AD a liberdade de introduzir novas estruturas não sistematizáveis do ponto de vista dos processos de decisão, optou-se pela construção de uma estrutura simultaneamente rígida e com comportamento dinâmico. O AD indica qual a ordem e tipo de dados de cada componente não espacial da caracterização e, daí para a frente, o SADE comporta-se como tendo uma nova tabela (por exemplo, ‘propriedades da terra’) onde o AD associa dados às parcelas seleccionadas no mapa. Internamente o SGBDR vai indexar condicionalmente diferentes tabelas consoante a característica e o tipo de dados de cada sua componente. A fracção da estrutura lógica que suporta estas funcionalidades é apresentada na fig. 3.
Fig. 3 – Fracção do modelo relacional – Caracterização dos elementos.
• Aspecto espacial – Pode envolver funções de distribuição espacial e elementos espaciais indicadores de formato e localização (tal como os primeiros podem ter dinâmica temporal). A componente espacial das características tem a particularidade óbvia de variar no espaço. Para tal, associam-se aos elementos a caracterizar, funções de distribuição espaço-temporal que, de acordo com parâmetros de entrada, devolvem valores que traduzem o estado da característica em cada localização. Os valores podem ser numéricos (temperatura média), textos (nome de elevação do terreno), picturais (fotografia da zona), ou de outro qualquer tipo de dados contemplado. A componente espacial da característica pode ainda descrever a
forma e localização dos elementos caracterizados. Para tal, são associados elementos gráficos que traduzem essas propriedades e eventual evolução (quando parametrizados). O SADE disponibiliza um editor de funções, passo a passo (na execução são interpretadas). Essas funções servem para determinar distribuições e partem dos parâmetros destas para devolver valores transformados. As funções definidas pelo AD podem, mais tarde, ser integradas no SADE (compiladas) passando a funções internas (quando a sua generalidade e utilização o justifique). Existem ainda funções baseadas em tabelas de múltiplas entradas cuja função de transformação é incorporada pela tabela em si, preenchida livremente pelo AD.
4 Conclusões
O SADE proposto neste trabalho permite a abordagem de problemas com uma forte componente espacial desde as fases iniciais, onde a informação se encontra mais completa e precisa, mas menos tratada, até às fases em que já se efectuaram diversas agregações de informação, possibilitando assim um maior rendimento nas análises efectuadas.
O acompanhamento integral do processo de decisão é fundamental, não só porque assim coexistem no sistema os vários estados da informação, permitindo intervenções a qualquer nível mas, essencialmente, devido ao facto de ser assim possível manter a integridade e particularidades inerentes ao teor espacial da informação até às fases finais da decisão.
A integração, num único sistema, de processos completamente abertos de definição e caracterização de ocorrências espaciais, bem como, de modelos de apoio à decisão genéricos para abordar os problemas assim constituídos, abre um enorme leque de possibilidades ao AD. Ele pode começar por estudar um problema de localização de novas áreas habitacionais, partindo de características zonais como: altimetria, tipo de solo, qualidade média do ar, etc. Feito o estudo das regiões com potencial interesse, dada a agregação espacial obtida para as características relevantes na localização, o AD pode, mais fundamentadamente, optar por uma certa região. Tendo esta opção como dado adquirido, pode agora o AD partir para a planificação das redes de serviços que iram satisfazer a nova procura (vias de comunicação, electricidade, etc.). Este novo passo na decisão pode ser encarado como um ‘acrescentar peças ao puzzle’ do processo inicial de localização. Assim, o AD pode continuar a considerar algumas características relevantes à decisão prévia (já editadas - altimetria e tipo de solo) como relevantes para os novos problemas de ligação, e acrescentar novas características. Estas podem ser completamente novas (propriedade e custo das parcelas a expropriar) ou resultantes da análise de decisão anterior (novas localizações de procura de serviços).
O processo de decisão operado no SADE proposto é evolutivo. Esse efeito é conseguido através de um progressivo refinamento e agregação da informação produzida. Como exemplo deste aspecto, podemos encontrar um problema em que a propagação do ruído seja decisiva, sendo para isso descritas características elementares influentes nessa propagação. Um método particular pode, em seguida, explorar o impacto espacial entre estas características e produzir uma distribuição discreta em grelha que descreva o nível médio de ruído em cada localização. A nova camada de informação espacial assim constituída poderia, em seguida, ser associada a outras características do problema para produzir novos impactos a explorar por novos métodos.
5 Referências
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Alçada-Almeida, L.; Coutinho-Rodrigues, J. - “Analysing Alternative Location Solutions with
POLYHEDRA - a Discrete Multicriteria Interactive Decision Support System”, 8th International Symposium on Locational Decisions - ISOLDE 8, Coimbra, Junho de 1999.
Coutinho-Rodrigues, J.; Alçada-Almeida, L. - “Estudo da Localização de Novas Áreas Habitacionais com um Sistema de Apoio à Decisão Multicritério Interactivo”, Estudos de Engenharia Civil, Vol 9, 79-92, 1997.
Goodchild, M. et al - Geographical Information Systems, Ed. David McGuire, Michael Goodchild, David Rhind, Longman Scientific & Technical, 1992.
Worboys, M. F. - GIS — A Computing Perspective, Taylor & Francis, 1998.
Taylor, K. et al – “A Framework for Model Integration in Spatial Decision Support Systems”, International Journal of Geographical Information Science, 1999, vol. 13, No. 6, 533-555. Walker, B. A.; Xiang, W. N. - “Application of GIS to Sewer Alignment Design”, GIS/LIS’95 Annual
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Agradecimentos
Este trabalho teve o apoio financeiro do Projecto FCT – Sapiens nº 34529/99 “Decision Support for Planning Logistics and Transportation Infrastructures Using GIS Technologies”.
