BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS PARA A CONSTRUÇÃO DE
SERVIÇOS WEB PARA AGRICULTURA DE PRECISÃO
WILIAN FRANÇA COSTA1
FABIANA SOARES SANTANA2
ANTONIO MAURO SARAIVA3
JOSÉ PAULO MOLIN4
RESUMO: A utilização de bancos de dados geográficos e seus operadores espaciais,
associados a uma arquitetura de software orientada a serviços, permitem a rápida publicação de resultados de pesquisa e a utilização imediata por pesquisadores, técnicos, engenheiros e agricultores. Este artigo apresenta a modelagem de um banco de dados espacial para a construção de serviços de filtragem de dados de produtividade de colheita e recomendação para aplicação de insumos em taxa variável. Estes serviços foram desenvolvidos no projeto PROSENSAP com parte das atividades para o desenvolvimento de um sistema de apoio à decisão em agricultura de precisão.
PALAVRAS-CHAVE: banco de dados geográficos, arquitetura de software, serviços web,
agricultura de precisão, filtragem de dados, aplicação de insumos.
SPATIAL DATABASE TO BUILD WEB SERVICES FOR PRECISION
AGRICULTURE
ABSTRACT: The use of geographic databases and their spatial operators, associated with
service oriented software architecture, enable the rapid publication of research results and their immediate use by researchers, technicians, engineers and farmers. This article presents a spatial database modeling for building services for yield productivity data filtering, and variable rate fertilizer recommendation. These services were developed within the PROSENSAP project as part of the development of a decision support system for precision agriculture.
KEYWORDS: spatial database, software architecture, web services, precision agriculture,
data filtering, application of fertilizes.
1. INTRODUÇÃO
A agricultura de precisão, AP, demanda cada vez mais suporte da Tecnologia da Informação para a realização de suas atividades. A coleta, armazenamento, processamento e análise das numerosas variáveis e a grande quantidade de dados envolvidos em seus processos, requerem sistemas de informações que auxiliem no processo de transformação dos dados em informações úteis para a tomada de decisão. Portanto, é necessária a realização de múltiplas operações e processamento envolvendo áreas distintas de conhecimento, como a geoestatística e o processamento de imagens, entre outras, além de conhecimentos agronômicos básicos, o que pode dificultar a realização do processamento e interpretação dos resultados por um único usuário, ainda que especialista. Por este motivo, sistemas de apoio à decisão em AP são importantes (BONGIOVANNI e LOWENBERG-DEBOER, 2004) e necessitam de
1 Mestre em Engenharia pelo ITA, Pesquisador da POLI-USP, E-mail: wilianfc@gmail.com.
2 Dr.ª em Engenharia Elétrica pela POLI-USP, Prof.ª da UFABC, E-mail: fabiana.santana@gmail.com. 3 Dr. em Engenharia Elétrica pela POLI-USP, Prof. Titular da POLI-USP, E-mail: saraiva@usp.br. 4
desenvolvimento de novas ferramentas e aprimoramento contínuos das existentes. A popularização do uso de internet de banda larga possibilitou a mudança de foco do desenvolvimento de soluções para AP, antes voltado ao software desktop, para aplicações web. Um bom exemplo é o ZoneMAP5 uma ferramenta para identificação de zonas de gerenciamento diferenciado (zonas de manejo) (ZHANG et al., 2009).
A modelagem é um aspecto importante para a construção de bancos de dados, BD, para sistemas de informação geográficas (CÂMARA et al., 2005), pois deve considerar, além do modelo Entidade-Relacionamento - ER (CHEN, 1976), a utilização de geometrias e suas correlações. Deve–se também buscar sempre uma melhor representação da realidade aliada ao bom desempenho das consultas efetuadas, a fim de melhorar a resposta às interações entre usuário e sistema. Câmara et al. (2005) apresenta algumas abordagens para a modelagem de dados geoespaciais. Neste trabalho, consideramos apenas criação utilizando o PostGIS6 uma extensão do PostgreSQL - um Sistema Gerenciador de Banco de Dados Espacial, SGBDE, objeto-relacional compatível com as especificações da OpenGIS Simple Features Specification for Strutured Query Language - SFSQL (OGC, 1998).
Esta especificação permite o armazenamento de informações geográficas e define operações e consultas SQL às geometrias ponto, linha e polígono. O BD da solução apresentado neste trabalho foi construído de acordo com Murakami et al. (2010), com o objetivo de atender os requisitos dos serviços de filtragem de dados de produtividade de colheita e de recomendação para aplicação de insumos em taxa variável.
2. OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho foi desenvolver o modelo objeto-relacional para os dados agrícolas, realizando inicialmente a filtragem de dados de produtividade de colheita através da remoção de outliers e, posteriormente, a obtenção da recomendação para aplicação de insumos em taxa variável. O BD e as funções programadas no PostGIS foram utilizadas como parte da solução para o desenvolvimento de serviços web para processamento, publicação e visualização dinâmica de dados agrícolas através de um servidor de mapas compatível com os padrões WFS, WMS e WCS do Open Geospatial Consortium, OGC7.
3. MATERIAL E MÉTODOS
Para o desenvolvimento da solução apresentada neste trabalho, foi considerada a modelagem utilizando uma arquitetura de software orientada a serviços web baseada em Santana (2009). Esta arquitetura é composta de um barramento de serviços de negócio Enterprise Service Bus, ESB, que permite o roteamento de mensagens, a comunicação com banco de dados, e a publicação e composição de serviços web. Na camada de visualização, as aplicações foram construídas como Portlets8 que são mini-aplicativos web gerenciados por uma solução de portal. Para a publicação dos mapas, uma aplicação servidora de mapas também foi integrada à arquitetura. As ferramentas utilizadas neste trabalho foram: 1) Glashfish ESB, como ESB e servidor de aplicação; 2) Liferay Portal9, como gerenciador de Portlets; 3) Vaadin10, como framework para desenvolvimento de aplicações Rich Internet; 4) Geoserver11, como servidor de mapas e 5) PostgreSQL+PostGIS, como banco de dados espacial.
5 http://zonemap.umac.org 6 http://postgis.refractions.net/documentation/manual-1.5 7 http://www.opengeospatial.org 8 http://jcp.org/en/jsr/detail?id=286 9 http://www.liferay.com 10 http://vaadin.com 11 http://geoserver.org
Para o desenvolvimento dos serviços, a modelagem do BD foi realizada considerando as relações necessárias para a obtenção da recomendação para aplicação de insumos em taxa variável, de acordo com dados georreferenciados para um talhão modelo. A recomendação pode ser obtida através da inserção de fórmulas escolhidas pelo agrônomo, baseadas em experiência própria ou em boletins como o Boletim 100 (RAIJ et al., 1985). As fórmulas combinam informações de análise de solo, análise foliar e produtividade de colheita. A referência para o processo de modelagem foi aquela proposta em Molin et al. (2006).
As funções no PostgreSQL foram programadas para efetuar o parsing de arquivos de texto, a inserção de dados nas respectivas tabelas e a geração de visões baseadas em consultas. A utilização dos operadores espaciais do SGBDE permitiu a geração dinâmica das geometrias necessárias para o processamento das informações e visualização do resultado. Inicialmente, apenas considerou-se o processamento e publicação de dados vetoriais (ponto, linha e polígono) porque o servidor escolhido, o Geoserver, não implementava, até a presente data, a publicação de dados raster gerados pelo processamento no BD, WKTRaster12.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foi desenvolvida uma implementação SFSQL para o algoritmo de Menegatti e Molin (2004) e outra para a recomendação de aplicação de insumos em taxa variável empregando as recomendações apresentadas em Malavolta et al. (1994).
Para a geração de mapas, foi utilizada a publicação de visualizações (views) geradas por consultas executadas no PostgreSQL via componente database binding13, parte integrante do ESB. Este componente permite a exposição de consultas SQL ou funções programadas no SGBD como web services, podendo ser combinado a outros serviços para a geração de serviços de maior complexidade através do roteamento de mensagens SOAP14.
A Figura 1 mostra como é feita a intercomunicação entre os programas que compõem a arquitetura. O modelo relacional para a aplicação de insumos é apresentado na Figura 2, onde estão representadas as relações entre talhão (plot_contour), análise de solo (soil_analisys), produtividade (productivity), recomendação para aplicação de insumos (insume_recommendation) e as equações associadas ao insumo utilizado (equation_<nome_do_insumo>). Para a modelagem, considerou-se que cada talhão pode ter múltiplas produtividades associadas, múltiplas análises de solo e múltiplas recomendações para aplicação de insumos. Cada entidade, por sua vez, possui múltiplos pontos georreferenciados associados. As equações empregadas são persistidas para consulta posterior e sua referência é indicada na recomendação gerada. O modelo de dados suporta a geração de mapas publicados dinamicamente no Geoserver através de consultas relacionadas ao usuário do portal. Esta abordagem ainda necessita de avaliações de desempenho e escalabilidade, que estão previstas para os próximos passos do projeto.
5. CONCLUSÃO
A solução apresentada para filtragem de dados de produtividade e geração de recomendação para aplicação de insumos em taxa variável mostrou-se flexível e otimizável, devido à programação direta das consultas e algoritmos no BD e à possibilidade de acesso direto a estas rotinas através de serviços web. Desta forma, é possível a publicação imediata de métodos desenvolvidos para AP.
12 http://trac.osgeo.org/postgis/wiki/WKTRaster
13 http://download.oracle.com/docs/cd/E19182-01/821-0232/landingpage/index.html 14
Testes de desempenho e escalabilidade ainda precisam ser efetuados, com o objetivo de aperfeiçoar esta solução e disponibilizá-la para livre acesso na Internet, através do portal15 na medida em que as versões iniciais forem finalizadas.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Financiadora de Estudos e Projetos do Ministério da Ciência e Tecnologia, FINEP/MCT, pelo suporte ao projeto PROSENSAP16. Agradecemos também ao Pesquisador da ESALQ André Colaço pelo apoio e fornecimento de material para pesquisa.
Figura 1: Comunicação entre os Componentes de Arquitetura
Figura 2: Modelo de Banco de Dados Utilizado para Representar a Recomendação de Aplicação de Insumos
15 http://www.agriculturadeprecisao.org.br 16
7. REFERÊNCIAS
BONGIOVANNI, R.; LOWENBERG-DEBOER, J. Precision Agriculture and
Sustainability. Precision Agriculture 5, no. 4: 359-387. 2004.
CÂMARA, G.; CASANOVA, M.A.; DAVIS JUNIOR, C.; VINHAS, L.; QUEIROZ, G.
Banco de Dados Geográficos, Curitiba, Editora MundoGEO, 2005. Disponível em: <
http://www.dpi.inpe.br/livros/bdados/capitulos.html> Acesso em 06 de Maio de 2011.
CHEN, P. The entity-relationship model - toward a unified view of data. ACM Transactions on Database Systems, v. 1, n.1, p. 9-36, 1976.
GUDGIN, M.; HADLEY, M.; MENDELSOHN, N. et al. "SOAP Version 1.2 Part 1: Messaging Framework (Second Edition)", W3C Recommendation 27, Abril 2007, Disponível em: <http://www.w3.org/TR/soap12-part1/>. Acesso em: 13 Junho 2011.
MALAVOLTA, E.; PRATES, H. S.; CASALE, H.; LEÃO, H. C. de. Seja o Doutor dos Seus Citros. Revista Informações Agronômicas, nº 65, março, 1994.
MENEGATTI, L.A.A.; MOLIN, J.P. Remoção de erros em mapas de produtividade via filtragem de dados brutos. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.8, n.1, p.126-134, 2004.
MOLIN, J. P.; MILAN, M.; NESRALLAH, M. G. T.; CASTRO, C. N.; GIMENEZ, L. M.
Utilização de dados georreferenciados na determinação de parâmetros de desempenho em colheita mecanizada. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v.26-3, p.759-767, set./dez.
2006.
MURAKAMI, E.; SARAIVA, A.M.; SANTANA, F. S.; GRISI, B. U.; NOGUEIRA, M.; KUNIYOSHI, A. M. Uma Aplicação de Banco de Dados Espacial para Filtragem de
Dados para Agricultura de Precisão. In Anais da VI Escola Regional de Banco de Dados.
VI Escola Regional de Banco de Dados. Joinville - SC – Brasil, 2010. OGC. OpenGIS Simple Features Specification for SQL, Boston, 1998.
RAIJ, B. van; SILVA, N.M. da; BATAGLIA, O.C.; QUAGGIO, J.A; HIROCE, R.; CANTARELLA, H.; BELINAZZI JÚNIOR, R; DECHEN, A .R. & TRANI, P.E.
Recomendações de adubação e calagem para o Estado de São Paulo. Boletim Técnico
100. Campinas, Instituto Agronômico, 1985. 107p.
SANTANA, F. S. Uma infraestrutura orientada a serviços para a modelagem de nicho
ecológico. Tese de doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 2009. 141p.
ZHANG, X.; SHI, L.; JIA, X.; SEIELSTAD, G.; HELGASON, C. Zone mapping
application for precision-farming: a decision support tool for variable rate application.
