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