Projeto de Banco de Dados para Sistemas de Informação Geográfica

Projeto de Banco de Dados para

Sistemas de Informação Geográfica

JUGURTA LISBOA FILHO

Universidade Federal de Viçosa (UFV) Departamento de Informática CEP 36571-000 Viçosa (MG)

jugurta@dpi.ufv.br

Resumo: O termo Sistema de Informação Geográfica (SIG) caracteriza os sistemas de informação

cuja principal característica é possibilitar a realização de análises espaciais envolvendo dados referenciados geograficamente. Entre os principais componentes de um software de SIG está o componente de armazenamento, denominado sistema de banco de dados geográficos. Devido à complexidade das aplicações que são desenvolvidas a partir de um SIG, um dos problemas mais críticos no desenvolvimento desses sistemas tem sido projetar o banco de dados geográficos. O projeto de banco de dados deve ser realizado com o apoio de um modelo de dados de alto nível (modelo conceitual). Modelagem conceitual tem sido aplicada com sucesso no projeto de bancos de dados em geral. Independentes de plataformas de hardware e software, os modelos conceituais permitem representar, de maneira abstrata, formal e não ambígua, a realidade da aplicação, facilitando a comunicação entre projetistas e usuários. Aplicações geográficas, contudo, impõem alguns requisitos específicos de modelagem que não são satisfatoriamente atendidos pelos modelos conceituais de dados de propósito geral. O objetivo do curso é apresentar uma abordagem para modelagem conceitual de banco de dados geográficos com base na linguagem UML e no GeoFrame, um framework conceitual. Inicialmente é apresentada uma breve introdução aos fundamentos da área de Geoprocessamento e descritos os principais componentes de um SIG.

1 Introdução

O termo Sistema de Informação Geográfica (SIG) caracteriza os sistemas de informação que tornam possível a captura, modelagem, manipulação, recuperação, análise e apresentação de dados referenciados geograficamente (ou dados georreferenciados) [WOR 95]. De forma geral, um software de SIG é um sistema composto de quatro grandes componentes: componente de captura de dados, componente de armazenamento, componente de análise e componente de apresentação dos dados.

O componente de armazenamento, denominado sistema de banco de dados geográficos, estrutura e armazena os dados de forma a possibilitar a realização das operações de análise envolvendo dados espaciais. Devido à complexidade das aplicações que são desenvolvidas a partir de um SIG, um dos grandes problemas no desenvolvimento desses sistemas tem sido projetar o banco de dados geográficos.

O projeto de um banco de dados deve ser realizado com o apoio de um modelo de dados de alto nível, também conhecido como modelo conceitual. Durante vários anos, as pesquisas no campo dos modelos de dados para SIG centraram-se na busca por estruturas de dados para o armazenamento de dados georreferenciados, o que ficou conhecido como “debate raster-vector” [COU 92].

A necessidade de novos modelos conceituais para o desenvolvimento de aplicações de SIG foi identificada no final da década de 80 [EGE 87]. Embora existam diversas propostas de modelos conceituais específicos para SIG, o desenvolvimento dessas aplicações tem sido feito de forma não metodológica, tendo como resultado diversos problemas decorrentes de abordagens evolutivas desordenadas.

O objetivo deste tutorial1 é apresentar uma abordagem para modelagem conceitual de banco de dados geográficos com base no uso na linguagem UML [BOO 98], mais especificamente em seu diagrama de classes, e no framework conceitual GeoFrame [LIS 99].

O documento está organizado da seguinte forma. A Seção 2 apresenta uma introdução aos Sistemas de Informação Geográfica. A Seção 3 descreve o projeto de banco de dados geográficos, apresentando alguns requisitos de modelagem impostos pelas aplicações de SIG e que devem ser suportados pelos modelos conceituais de dados específicos para essas aplicações. Em seguida descreve o uso do modelo de objetos da linguagem UML de forma integrada com o framework GeoFrame. É apresentado um exemplo real de modelagem de dados seguindo essa abordagem. As considerações finais e alguns dos tópicos atuais de pesquisa na área de SIG são apresentados na Seção 4.

1 _{O presente tutorial foi apresentado na Escola Regional de Informática da Região Norte-SBC (Manaus-AM e} Belém-PA) em outubro de 2001, sendo uma revisão e extensão dos textos apresentados na VIII Escola de Informática da SBC-Sul, ocorrida em maio de 2000 (Foz do Iguaçu-PR, Tubarão-SC e Ijuí-RS) e na III Escola Regional de Informática do Centro-Oeste, em outubro de 2000 (Brasília-DF, Taguatinga-DF e Goiânia-GO).

2 Sistemas de Informação Geográfica

Esta seção apresenta uma breve introdução aos sistemas de informação geográfica, que foi extraída e atualizada a partir da apostila Introdução à Sistemas de Informações Geográficas com Ênfase em Banco de Dados, apresentada na XV Jornada de Atualização em Informática, durante o XVI Congresso da SBC e, também, na 10ª Escuela de Ciencias Informáticas, ocorrida em Buenos Aires em 1996.

São apresentados alguns conceitos importantes na área de geoprocessamento, conceitos básicos sobre cartografia e sensoriamento remoto e é feita uma descrição dos principais componentes de um sistema de informação geográfica.

2.1 Conceitos Básicos

Conforme descrito na seção anterior, Sistemas de Informação Geográfica (SIG) são sistemas computacionais que permitem a captura, armazenamento, manipulação, recuperação, análise e apresentação de dados referenciados geograficamente [WOR 95]. Dados referenciados geograficamente ou, simplesmente, dados

georreferenciados são dados que descrevem fenômenos geográficos cuja localização está associada a uma

posição sobre/sob a superfície terrestre.

Uma das principais características de um SIG é sua capacidade de manipular dados gráficos (cartográficos) e não-gráficos (descritivos) de forma integrada, provendo uma forma consistente para análise e consulta. É possível, desta forma, ter acesso às informações descritivas de um fenômeno geográfico a partir de sua localização e vice-versa. Além disso, pode-se fazer conexões entre diferentes fenômenos com base em relacionamentos espaciais.

Quatro aspectos caracterizam um dado georreferenciado:

• a descrição do fenômeno geográfico;

• sua posição (ou localização) geográfica;

• relacionamentos espaciais com outros fenômenos geográficos; e

• instante ou intervalo de tempo em que a fenômeno existe ou é válido.

Estes aspectos são classificados em duas categorias de dados: dados convencionais - atributos alfanuméricos usados para armazenar os dados descritivos e temporais; e dados espaciais - atributos que descrevem a geometria, a localização geográfica e os relacionamentos espaciais [OOI 90]. Além disso, um SIG pode possuir

dados pictórios, que armazenam imagens sobre regiões geográficas (ex.: fotografia de uma cidade ou uma

imagem de satélite).

Existem diversos tipos de sistemas que manipulam dados espaciais, como os sistemas de cartografia automatizada e os sistemas de CAD (Projeto Auxiliado por Computador), porém, os SIG se diferenciam desses sistemas por dois motivos principais. Primeiro, por sua capacidade de representar os relacionamentos espaciais (ou topológicos) entre fenômenos geográficos. Segundo, por permitir a realização de complexas operações de análise espacial com os dados geográficos.

O termo Geomatics, usado em alguns países (ex.: Canadá), é um termo "guarda-chuva" que engloba toda ciência ou tecnologia relacionada a cadastro, levantamento, mapeamento, sensoriamento remoto e SIG. Geomatics é definido como “o campo de atividades que, utilizando uma abordagem sistêmica, integra todos os meios empregados na aquisição e gerenciamento de dados espaciais usados em aplicações científicas, administrativas, legais e técnicas, envolvidas no processo de produção e gerenciamento de informação espacial” [GEO 95]. No Brasil, Geomatics corresponde a Geoprocessamento.

Portanto, o termo Sistema de Geoprocessamento engloba todos os sistemas computacionais capazes de processar dados georreferenciados, tais como os sistemas de cartografia automatizada (CAC), sistemas de processamento de imagens, sistemas de gerenciamento de redes de infra-estrutura, sistemas de apoio a projeto (CAD) e, principalmente, os SIG [RAM 94]. No Brasil, freqüentemente, o termo sistema de geoprocessamento têm sido utilizado, pela comunidade de usuários, como sendo sinônimo de sistema de informação geográfica.

O número de problemas onde os SIG são empregados aumenta a cada dia. Tradicionalmente, estes sistemas têm sido utilizados por instituições públicas, empresas de prestação de serviço de utilidade (ex. companhias de água, luz e telefone), na área de segurança militar e em diversos tipos de empresas privadas (ex.: engenharia civil, terraplanagem). A seguir, é apresentada uma relação das diversas áreas de aplicação de SIG, divididas em cinco grupos principais, segundo [RAM 94].

• Ocupação Humana - redes de infra-estrutura; planejamento e supervisão de limpeza urbana; cadastramento territorial urbano; mapeamento eleitoral; rede hospitalar; rede de ensino; controle

epidemiológico; roteamento de veículos; sistema de informações turísticas; controle de tráfego aéreo; sistemas de cartografia náutica; serviços de atendimentos emergenciais.

• Uso da Terra - planejamento agropecuário; estocagem e escoamento da produção agrícola; classificação de solos; gerenciamento de bacias hidrográficas; planejamento de barragens; cadastramento de propriedades rurais; levantamento topográfico e planimétrico; mapeamento do uso da terra.

• Uso de Recursos Naturais - controle do extrativismo vegetal e mineral; classificação de poços petrolíferos; planejamento de gasodutos e oleodutos; distribuição de energia elétrica; identificação de mananciais; gerenciamento costeiro e marítimo.

• Meio Ambiente - controle de queimadas; estudos de modificações climáticas; acompanhamento de emissão e ação de poluentes; gerenciamento florestal de desmatamento e reflorestamento.

• Atividades Econômicas - planejamento de marketing; pesquisas sócio-econômicas; distribuição de produtos e serviços; transporte de matéria-prima.

2.2 Fundamentos em Cartografia e Sensoriamento Remoto

Esta seção descreve alguns conceitos básicos das áreas de Cartografia e Sensoriamento Remoto que são importantes para o entendimento do funcionamento de um SIG. Maiores detalhes o leitor pode encontrar, por exemplo, em [OLI 93] e [LIL 87].

Um mapa é uma representação, em escala e sobre uma superfície plana, de uma seleção de características sobre ou em relação à superfície da terra [NCG 90]. Tradicionalmente, os mapas têm sido a principal fonte de dados para os SIG.

Mapas podem ser usados com diferentes propósitos, sendo que os mais comuns são: exibição e armazenamento de dados (ex.: uma folha de mapa pode conter milhares de informações que são recuperadas visualmente); como índices espaciais (ex.: cada área delimitada em um mapa pode estar associada a um conjunto de informações em um manual separado); como ferramenta de análise de dados (ex.: comparar e localizar áreas de terras improdutivas); ou mesmo como objeto decorativo (ex.: mapas turísticos).

A confecção de um mapa requer, entre outras coisas, a seleção das características a serem incluídas no mapa, a classificação dessas características em grupos, sua simplificação para representação, a ampliação de certas características para melhor representa-las no mapa, e a escolha de símbolos para representar as diferentes classes de características [ARO 89].

Existem diversos tipos de mapas. Mapas topográficos são elaborados com o objetivo de atender a uma infinidade de propósitos, enquanto que mapas temáticos são elaborados com objetivos mais específicos, por conter informações sobre um único assunto, por exemplo, para representar o relevo, a vegetação ou o tipo de solo de uma região.

A escala de um mapa é a razão entre as distâncias representadas no mapa e suas correspondentes distâncias no mundo real. Por exemplo, em um mapa de escala 1:50.000, 1cm no mapa corresponde a 50.000cm (ou 500m) na superfície terrestre. Uma escala de 1:10.000 (1cm no mapa corresponde a 100m) é suficiente para representar o traçado de ruas em uma cidade. Porém, é insuficiente caso a aplicação necessite manipular informações sobre lotes urbanos. Por outro lado, numa escala de 1:250.000 (1cm no mapa corresponde a 2,5 Km), somente grandes fenômenos geográficos podem ser representados, tais como tipos de vegetação, limites municipais e rodovias.

O sistema de coordenadas permite definir a localização de qualquer elemento sobre a superfície terrestre. Os sistemas mais empregados são os sistemas de coordenadas geográficas (ou terrestres) e os sistemas de coordenadas planas (ou cartesianas) [CAM 96].

Nos sistemas de coordenadas geográficas, cada ponto é definido através do par de coordenadas referente à interseção de um meridiano com um paralelo. Os meridianos são círculos da esfera terrestre que passam pelos Pólos Norte e Sul, enquanto que os paralelos são círculos da esfera terrestre cujos planos são perpendiculares ao eixo dos Pólos Norte-Sul. Os meridianos são medidos em longitude a partir do meridiano de Greenwich, escolhido arbitrariamente como sendo o meridiano de origem, com valores variando de 0º de longitude (na origem) até +180º de longitude a leste e -180º de longitude a oeste. O paralelo do Equador divide a Terra nos hemisférios norte e sul, definindo as medidas de latitude como sendo 0º no paralelo do Equador, +90º no Pólo Norte e -90º no Pólo Sul.

Os sistemas de coordenadas planas são baseados em um par de eixos perpendiculares, onde a interseção dos eixos representa a origem para a localização de qualquer ponto sobre o plano. Nestes sistemas, as coordenadas dos pontos são representadas por um par de valores (x,y) representando a projeção do ponto sobre cada um dos eixos. Normalmente, o eixo horizontal fica associado à medida de longitude enquanto que o eixo vertical fica

associado à medida de latitude, o que permite conversões entre os sistemas de coordenadas, a partir de transformações matemáticas.

A superfície curva da terra é representada em mapas que, normalmente, são confeccionados sobre uma folha de papel, ou seja, sobre uma superfície plana, o que, inevitavelmente, provoca distorções entre a realidade e sua representação. Projeção Cartográfica é o método matemático através do qual a superfície curva da terra é representada sobre uma superfície plana.

Existem diferentes tipos de projeções utilizadas na confecção de mapas (Figura 1). Estas projeções atendem a objetivos distintos, podendo preservar a área (projeção equivalente) dos fenômenos representados, a forma dos fenômenos (projeção conformal) ou mesmo a distância (projeção eqüidistante) entre pontos no mapa [NCG 90]. Algumas das projeções mais empregadas são: projeção cônica de Lambert, projeção UTM (“Universal Transverse Mercator”) e projeção plana. No Brasil existe um mapeamento sistemático realizado pelo Serviço de Cartografia do Exército, feito na projeção UTM, nas escalas de 1:250.000, 1:100.000 e 1:50.000 [CAM 96].

Projeção Cilíndrica Projeção Cônica

Figura 1 - Exemplo de projeções

Sensoriamento Remoto é definido como a ciência e a arte de se obter informações sobre objetos, áreas ou fenômenos, através da análise dos dados adquiridos por um dispositivo que não esteja em contato com o objeto, área ou fenômeno sob investigação [LIL 87].

O processo de obtenção de dados através do sensoriamento remoto utiliza sensores para se obter dados, de forma remota, que podem ser analisados para gerar informações sobre as áreas observadas [LIL 87]. Existem diversas formas de captura de dados através de sensores remotos como, por exemplo, através da distribuição de ondas acústicas. Porém, no contexto de SIG, apenas as técnicas empregadas pelos sensores de energia eletromagnética são importantes. Estes sensores são operados a partir de veículos aeroespaciais (ex.: satélites em órbita terrestre).

Os materiais que estão sobre a superfície terrestre refletem a energia eletromagnética proveniente de fontes naturais (ex.: sol) ou de fontes artificiais (ex.: lâmpadas), que é captada por dispositivos sensores. Os sensores eletromagnéticos podem ser divididos em dois grupos: passivos e ativos. Sensores passivos (ex.: fotografia aérea) medem a energia existente no ambiente, enquanto que os sensores ativos geram sua própria fonte de energia (ex.: Sistema Radar).

O sistema de radar emite energia na região de microondas do espectro eletromagnético (Figura 2) e capta a energia refletida pelos materiais que estão sobre a superfície terrestre [EAS 95].

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -1 10 -2 0.5 1 10 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 9 0.6 0.7 0.4 _(µm) ver azul ver u.v. visível comprimento de onda (µm)

raios cósmicos raio X

ultravioleta(u.v.)

i.v. próximo

i.v. médioi.v. termal microonda tv e rádio infravermelho (i.v.)

(1mm) (1m) de me

lho

sist. radar

Segundo Amaral [AMA 90], os materiais apresentam comportamentos distintos ao longo do espectro eletromagnético para diferentes atributos (ex.: emissividade, reflectância, absortância, transmissividade, luminescência, etc). Desta forma, sensores operando em diferentes intervalos espectrais (sensores multi-espectrais) são capazes de discriminar determinados objetos ou fenômenos sobre/sob a superfície terrestre.

O espectro eletromagnético é muito amplo e nem todos os comprimentos de onda são adequados para fins de sensoriamento remoto. Por exemplo, os intervalos de comprimento de ondas verde, vermelho (visíveis) e também o infravermelho apresentam baixa interferência atmosférica, possibilitando uma boa oportunidade para medir as interações com a superfície terrestre. A maioria das imagens produzidas via sensoriamento remoto para aplicações relacionadas com SIG são obtidas nestes intervalos [LIL 87].

Existem diversas propriedades básicas para um sensor eletromagnético, as principais são [CAM 96].:

• resolução espectral - número de bandas do espectro eletromagnético que são captadas pelo sensor;

• resolução espacial - área da superfície terrestre observada pelo sensor;

• resolução temporal - intervalo de tempo entre duas tomadas de imagens.

Os sistemas de processamento de imagens são softwares desenvolvidos para resolver problemas específicos de tratamento de imagens obtidas remotamente, sendo que alguns SIG possuem módulos acoplados que permitem ao usuário realizar um conjunto, normalmente limitado, de operações envolvendo imagens de satélite.

2.3 Componentes de SIG

Os SIG precisam armazenar grandes quantidades de dados e torná-los disponíveis para operações de consulta e análise. Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados (SBGD) são ferramentas fundamentais para os SIG, embora alguns sistemas comerciais ainda utilizem sistemas de arquivos para fazer o gerenciamento dos dados.

Com o objetivo de encontrar soluções adequadas para o problema do gerenciamento de dados georreferenciados, diversas pesquisas têm sido realizadas por parte da comunidade de banco de dados, sob os temas de banco de dados espaciais e geográficos [MED 94]. Atualmente, a arquitetura mais empregada na construção dos SIG é a que utiliza um sistema dual, onde o SIG é composto de um SGBD relacional, responsável pela gerência dos atributos descritivos, acoplado a um componente de software responsável pelo gerenciamento dos atributos espaciais [CAM 96]. A tendência atual é que os novos SIG estão incorporando características de sistemas orientados a objetos.

Segundo Antenucci [ANT 91], os SIG constituem-se na integração de três aspectos distintos da tecnologia computacional (Figura 3): sistemas de gerenciamento de banco de dados geográficos (BDGeo); procedimentos para obtenção, manipulação, exibição e impressão de dados com representação gráfica (Interface); e algoritmos e técnicas para análise de dados espaciais (Ferramentas).

Fontes

SIG

Resultados

BDGeo

Ferramentas

Interface

Os SIG apresentam funcionalidades bastante distintas, dependendo do tipo de aplicação em que são utilizados. Alguns produtos são comercializados em módulos separados, de acordo com as necessidades específicas dos clientes, como o sistema MGE da INTERGRAPH e o sistema Arc-Info da ESRI. Módulos para processamento de imagens de satélite, para operações com modelos numéricos de terreno (MNT) ou para gerenciamento de redes de infra-estrutura, podem, ou não, estar disponíveis no sistema. Porém, existe um conjunto de componentes que são comuns à maioria dos sistemas.

Câmara [CAM 96] apresenta um SIG como possuindo a seguinte arquitetura (Figura 4): interface com usuário; entrada e integração de dados; funções de processamento; visualização e plotagem; e armazenamento e recuperação de dados. Interface Entrada e Integr. Dados Funções de Processamento Visualização e Plotagem Armazenamento e Recuperação BD Geográfico

Figura 4 - Arquitetura de um SIG [CAM 96]

Existem três tipos de interfaces que são utilizadas nos SIG: linguagem de comandos, menus hierárquicos e sistemas de janelas. Estes tipos de interfaces acompanham a evolução das técnicas empregadas em sistemas de informações em geral.

O componente responsável pela entrada e integração de dados possibilita a obtenção dos dados através de diversos métodos como leitura ótica, digitalização de mapas ou aquisição via meio magnético. O componente responsável pelo armazenamento e recuperação de dados geográficos provê as estruturas de dados que possibilitam a compactação de imagens, armazenamento de relacionamentos espaciais (topologia), acesso aos dados através de índices espaciais, etc. O conjunto das funções de processamento é o componente que mais se diferencia de sistema para sistema, porém, existe um grande número de funções que são comuns a esses sistemas.

A maioria dos dados gerados por uma aplicação de SIG são apresentados na forma de mapas. Desta maneira, um SIG deve prover funções que são equivalentes àquelas dos sistemas de cartografia automatizada, como colocação automática de rótulos, descrição de legendas e escalas gráficas, entre outras.

A seguir cada um desses componentes é apresentado em maiores detalhes. 2.3.1 Entrada e Integração de Dados

A obtenção de dados em aplicações de geoprocessamento é um processo bem mais complexo quando comparado com a maioria das aplicações [ARO 89]. Isto se deve ao fato da entrada de dados não se limitar a simples operações de inserção. As dificuldades surgem por duas razões. Primeiro, por se tratar de informações gráficas, o que naturalmente já é uma tarefa mais complexa do que a entrada de dados alfanuméricos, embora os SIG também manipulem dados alfanuméricos.

A segunda razão, e principal, é devido a natureza das fontes de dados dessas aplicações. Os dados manipulados em um SIG, dizem respeito a fenômenos geográficos que estão distribuídos sobre a superfície da terra, podendo pertencer a sistemas naturais ou criados pelo homem, tais como tipos de solos, vegetação, cidades, propriedades rurais ou urbanas, redes de telefonia, escolas, aspectos climáticos, etc. Podem ser também objetos resultantes de projetos envolvendo entidades que ainda não existem como, por exemplo, o planejamento de uma barragem para a construção de uma usina hidroelétrica [RAM 94].

Os processos de coleta de dados são baseados em tecnologias como fotogrametria, sensoriamento remoto e levantamento de campo, ou seja, os mesmos que vêm sendo empregados há muito tempo em diversas outras áreas. Com isto, os produtos resultantes desses processos de coleta de dados é que são as verdadeiras fontes de

dados dos SIG. Os SIG possuem dispositivos de interface que permitem que esses dados sejam transferidos para um meio de armazenamento digital.

A transferência dos dados do meio externo (fontes brutas) para o meio interno (representação digital) é apenas um passo no processo de aquisição dos dados. Muitas operações posteriores são realizadas como, por exemplo, a associação entre os objetos espaciais e atributos descritivos, operações para corrigir e padronizar os dados com relação a projeções, escalas e sistemas de coordenadas.

Os métodos mais empregados na aquisição de dados são: a digitalização em mesa; a digitalização automática feita através de leitura ótica por meio de dispositivos de varredura tipo "scanner"; a digitação via teclado; GPS-Global Positioning Systems, e a leitura de dados provenientes de outras fontes de armazenamento secundário (ex. fitas magnéticas, discos óticos, teleprocessamento). Estes métodos permitem a transferência dos dados obtidos através desses mecanismos para a base de dados dos SIG.

2.3.2 Armazenamento de Dados Espaciais

Dados espaciais podem ser estruturados de diversas formas. Porém, duas abordagens são amplamente utilizadas na estruturação dos componentes espaciais associados às informações geográficas: a estrutura matricial (raster) e a estrutura vetorial. A Figura 5 ilustra a diferença entre esses dois tipos de estruturas, a partir da sobreposição de uma imagem vetorial sobre uma imagem matricial. Observe que na estrutura matricial ocorre uma perda de qualidade quando a imagem é consultada mais detalhadamente.

Figura 5 - Exemplo de representação matricial e vetorial

Na estrutura matricial, a área em questão é dividida em uma grade regular de células de formato, normalmente, retangular. A posição da célula é definida pela linha e pela coluna onde está localizada na grade. Cada célula armazena um valor que corresponde ao tipo de entidade que é encontrada naquela posição. Uma área geográfica pode ser representada através de diversas camadas, onde as células de uma camada armazenam os valores associados a uma única variável (ex.: vegetação) [CHR 97]. As camadas ficam totalmente preenchidas, uma vez que cada célula corresponde a uma porção do espaço sendo representado.

Na estrutura vetorial, cada fenômeno geográfico é representado, no banco de dados, por um objeto com identificação própria e representação espacial do tipo ponto, linha, polígono ou um objeto complexo. A posição de cada objeto é definida por sua localização no espaço, de acordo com um sistema de coordenadas. Objetos vetoriais não preenchem todo o espaço, ou seja, nem todas as posições do espaço necessitam estar referenciadas na base de dados.

Enquanto que a representação vetorial é capaz de armazenar informações sobre fenômenos que podem ser identificados univocamente no mundo real, a representação matricial armazena informações sobre o conjunto de todos os pontos de uma determinada região do espaço.

Estruturas Matriciais

Ao contrário da estrutura vetorial, onde cada fenômeno do mundo real está associado a um objeto espacial, na estrutura matricial os atributos dos fenômenos geográficos estão associados a grupos de células de mesmo valor.

O valor armazenado em uma célula representa a característica mais marcante do atributo em toda a área relativa à célula.

A resolução de uma imagem matricial corresponde à dimensão linear mínima da menor unidade do espaço geográfico (célula) sendo considerada. Quanto menor a dimensão das células, maior a resolução da imagem matricial e, consequentemente, maior a quantidade de memória necessária para armazená-la.

Cada célula armazena um único valor que corresponde a uma área específica na superfície terrestre. O total de valores que precisam ser armazenados pode ser calculado, multiplicando-se o número de linhas pelo número de colunas da estrutura matricial. Assim, geralmente são gerados grandes volumes de dados, tornando-se necessário o emprego de técnicas de compactação de dados.

Como um fenômeno geográfico é representado, na estrutura matricial, por um agrupamento de células, todas contendo um mesmo valor, ocorre um número considerável de valores redundantes em toda a estrutura. Esta característica é muito explorada nos métodos de compactação.

Existem diversas técnicas de compactação que podem ser empregadas no armazenamento de estruturas matriciais. Algumas delas são [LAU 92]:

• códigos de cadeia (Chain codes) - os limites de cada região são armazenados através de uma estrutura que contém uma célula de origem e uma seqüência de vetores unitários. Esses vetores unitários são aplicados nas direções cardinais (leste, oeste, norte e sul), de cada região, percorridos no sentido horário;

• códigos em seqüência (Run-length codes) - armazena, para cada linha, o número de ocorrências de células de mesmo valor e o valor correspondente;

• códigos de bloco (Block codes) - são armazenadas, para cada quadrado máximo, que pode ser formado por um conjunto de células de mesmo valor, as coordenadas da célula inferior esquerda do quadrado, a quantidade de células (tamanho) do lado do quadrado e o valor do atributo;

• árvores quaternárias (Quadtree) - utiliza uma estrutura hierárquica espacial. Existe uma grande variação de tipos de estruturas quadtree, um exemplo é apresentado abaixo.

O termo quadtree descreve uma família de estruturas de dados hierárquicas, que baseiam-se no princípio de decomposição recursiva do espaço [SAM 89]. Elas são diferenciadas pelos seguintes fatores:

• tipo de dado que está sendo representado (pontos, retângulos, regiões, curvas, superfícies ou volumes);

• processo de decomposição empregado, que pode aplicar divisões em partes iguais ou não;

• resolução da imagem, isto é, o número de vezes que a decomposição é aplicada, que pode ser fixo ou variável.

A Figura 6 mostra a decomposição de uma imagem usando a estrutura Region-quadtree, que é uma variação de quadtree para representação de regiões, onde uma região (Figura 6-a), representada na matriz binária (Figura 6-b) é decomposta em blocos (Figura 6-c), gerando a árvore correspondente. Em uma region-quadtree, a imagem é dividida sempre em partes iguais, porém, o número de vezes em que a imagem é dividida é variável, ou seja, depende dos valores armazenados pela imagem.

Neste método, a raiz da árvore corresponde à imagem completa, ou seja, um array de 2n x 2n valores de células. Cada nó da árvore pode ser um nó folha ou possuir quatro ramos descendentes, compreendendo aos quatro quadrantes: nordeste (NE), noroeste (NW), sudoeste (SW) e sudeste (SE). Nós folhas correspondem aos quadrantes que não necessitam ser redivididos por possuírem somente células de mesmo valor. Estruturas quadtrees são utilizadas, também, como árvores de busca, possibilitando uma melhor eficiência na execução de diversas operações espaciais.

Estruturas Vetoriais

Antes de descrever as estruturas de dados vetoriais é importante conhecer o conceito de topologia. Quando um mapa de uma região que está sobre a superfície curva da Terra, é projetado sobre uma superfície plana (ex.: folha de papel), algumas propriedades são alteradas (ex.: ângulo e distância), enquanto outras permanecem inalteradas (ex.: adjacência e pertinência). Estas propriedades que não se alteram quando o mapa sofre uma transformação são conhecidas como propriedades topológicas.

O termo topologia é atribuído aos relacionamentos espaciais mantidos no banco de dados. Um banco de dados espacial é dito topológico se ele armazena a topologia dos objetos, ou cartográfico se os objetos são vistos e manipulados somente de forma independente [LAU 92].

1 2 3 6 7 11 18 19 4 5 8 9 10 12 13 14 15 16 17

a

b

c

Figura 6 - Exemplo de estrutura quadtree [SAM 89]

Bancos de dados cartográficos são usados em muitos pacotes de confecção de mapas, onde as operações de análise são menos importantes do que as funções que auxiliam na elaboração de mapas como, por exemplo, posicionamento de rótulos. Um banco de dados cartográfico pode ser convertido em um banco de dados topológico através do cálculo e identificação dos relacionamentos entre objetos. Este processo é conhecido como Processo de Construção da Topologia (Building Topology) [LAU 92].

Este processo (Figura 7) é usado, também, na fase de identificação dos objetos em um mapa a partir de linhas digitalizadas, o que é feito empregando-se o conceito de Restrição Planar (Planar Enforcement), que consiste na aplicação de duas regras sobre os objetos usados para descrever a variação espacial.

(a) _(b) (c) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A B C D 11 12 13 14 15 16 17 18 19 E

As regras de Restrições Planar são as seguintes:

• Regra 1: Dois polígonos não podem se sobrepor.

• Regra 2: Cada posição no mapa pertence a um único polígono, ou a um limite entre dois plígonos. De forma simplificada, o processo de construção da topologia começa com um conjunto de segmentos de linhas não relacionados (Figura 7-a). Cada interseção de linhas ou nodo terminal é identificado (Figura 7-b). Em seguida, cada segmento de linha existente entre dois nós consecutivos (arestas) é identificado (numerado na Figura 7-c). Finalmente, cada polígono resultante recebe um identificador, inclusive o polígono externo que recebe um identificador diferenciado.

A estrutura vetorial tem como primitiva principal o ponto, porém, os sistemas utilizam três construtores básicos: ponto, linha e polígono. As coordenadas (x,y) de um ponto representam a localização, em um sistema de coordenadas específico, de fenômenos que não possuem dimensões espaciais na escala de representação escolhida. A linha, formada por uma cadeia de segmentos de linha reta, ou mais especificamente, por uma lista de coordenadas de pontos, é usada para representar as entidades da realidade que possuem dimensão linear. O polígono representa as entidades com extensões bidimensionais, através da definição do contorno da área da entidade. O polígono é formado por uma cadeia fechada de segmentos de linha, podendo ou não possuir outros polígonos embutidos em seu interior.

Existem diversas técnicas para armazenamento de objetos espaciais baseadas na estrutura vetorial. Aronoff [ARO 89] divide essas estruturas em dois grandes grupos: estruturas de dados spaghetti e estruturas de dados topológicos, levando-se em consideração se os relacionamentos topológicos são, ou não, armazenados.

• Estruturas de dados spaghetti - armazenam os polígonos/linhas como seqüências de coordenadas de pontos. São utilizadas em pacotes de cartografia automatizada, onde as informações sobre os relacionamentos entre as entidades não são importantes.

• Estruturas de dados topológicos - armazenam alguns tipos de relacionamentos espaciais, sendo que a ênfase principal é dada nos relacionamentos de conectividade entre linhas de uma rede e nos relacionamentos de adjacência entre polígonos. São empregadas na maioria dos SIG.

A Figura 8 exemplifica uma estrutura de dados vetorial capaz de manter a topologia de polígonos adjacentes. A estratégia é baseada no armazenamento de atributos dos arcos, acrescidos de dois apontadores extras, referentes aos polígonos localizados à esquerda e à direita do arco, percorrido no sentido nó-origem-nó-destino.

Uma tabela contém os atributos dos polígonos, uma outra tabela armazena os atributos dos arcos e uma terceira contém as coordenadas dos pontos que formam a geometria dos arcos. Este tipo de estrutura possibilita a execução de operações de consulta de maneira bastante eficiente, por não necessitar realizar operações com base nas coordenadas dos objetos. Por exemplo, todos os polígonos adjacentes ao polígono B podem ser encontrados a partir da Tabela de Atributos dos Arcos. Cada par de apontadores (polígono à direita, polígono à esquerda), contendo o polígono B indica um polígono adjacente a ele, por ter um arco em comum. Desta forma, os arcos 3, 4 e 5 identificam os polígonos adjacentes ao polígono B.

A B C D 1 2 3 4 5 6 a b c d

Tab. Atributos de Polígonos ID Atrib1 Atrib2 Atrib3 A

B C

D (exterior)

Tab. Atributos de Arcos Arco Dir Esq Ori Des 1 A D a c 2 A C c b 3 A B b a 4 D B a d 5 B C b d 6 D C d c

Tab. Geometria de Arcos Arco Coordenadas 1 (x1,y1),(x2,y2),... 2 (x1,y1),(x2,y2),... 3 (x1,y1),(x2,y2),... 4 (x1,y1),(x2,y2),...

2.3.3 Funções de Processamento, Análise e de Apresentação

Segundo Chrisman [CHR 97], um SIG deve fornecer operações para a recuperação de informações com base em critérios de natureza espacial e não-espacial. As linguagens de consulta de SGBDs convencionais foram projetadas para recuperar informações segundo critérios não-espaciais. O SIG deve ser capaz de manipular dados espaciais e recuperar informações com base em relacionamentos direcionais como “acima de” e “perto de” e em relacionamentos topológicos como “próximo a”, “dentro de” e “ao lado de” [CAM 96].

Existem diferentes funções de manipulação e análise de dados disponíveis nos sistemas atuais. Além disso, novas funções podem ser adicionadas ao conjunto das já existentes. Porém, não existe um padrão para os nomes dessas funções, sendo comum a existência de funções com comportamento idêntico porém com nomes distintos [NCG 90].

A classificação apresentada nesta seção teve como base o trabalho de Aronoff [ARO 89], o qual apresenta uma taxonomia das funções encontradas na maioria dos SIG, mas que não se refere a nenhum software em especial. Essas funções estão agrupadas em quatro categorias principais. São elas:

• Manutenção de Dados Espaciais;

• Manutenção e Análise de Atributos Descritivos;

• Análise Integrada de Dados Espaciais e Descritivos; e

• Formatação de Saída.

Funções de Manutenção de Dados Espaciais

Este grupo inclui as funções utilizadas na fase de pré-processamento dos dados espaciais, ou seja, funções usadas na preparação ou reorganização dos dados para que possam ser utilizados em operações de análise e consulta. Alguns exemplos estão relacionados abaixo.

• Transformações de formato – dados obtidos a partir de diversas fontes nem sempre estão armazenados no formato adequado para ser processado no SIG.

• Transformações geométricas - utilizadas para definir ou ajustar as coordenadas terrestres em um mapa, ou entre as camadas de dados.

• Transformações entre projeções geométricas - SIG normalmente suportam mais de um tipo de projeção, fornecendo operações para transformar as projeções dos mapas.

• Casamento de bordas - alguns ajustes precisam ser feitos durante a fase de preparação (pré processamento) dos dados. Casamento de bordas são feitos por meio de operações que realizam a união de linhas entre coberturas adjacentes, onde os objetos que ultrapassam os limites de uma cobertura têm suas coordenadas limites ajustadas em todas as coberturas onde aparecem.

• Edição de elementos gráficos - São funções usadas para adicionar, eliminar e modificar objetos no mapa. Por exemplo, quando a aresta que separa dois polígonos é digitalizada duas vezes podem surgir pequenas fatias de áreas sobrepostas ou fatias de áreas sem informações. Nestes casos os ajustes e acertos precisam ser realizados manualmente.

• Redução de coordenadas - têm como objetivo diminuir a quantidade de pares de coordenadas pertencentes às linhas, reduzindo assim, a quantidade total de dados armazenados em cada camada. A Figura 9 exemplifica esta operação.

Figura 9 - Exemplo de redução de coordenadas

Funções de Manutenção e Análise de Atributos Descritivos

Na maioria dos SIG, a manipulação dos atributos descritivos (não-gráficos) é realizada através de linguagens de manipulação/consulta de dados disponíveis nos SGBDs. Diversas operações de análise podem ser resolvidas sem consulta aos atributos espaciais. Nos sistemas vetoriais, por exemplo, as informações sobre a área e o perímetro dos polígonos podem ser armazenadas junto aos demais atributos descritivos associados a esses polígonos.

Nestes casos, uma operação de análise envolvendo áreas de polígonos pode ser resolvida por métodos tradicionais de consulta a bancos de dados convencionais (ex.: Linguagem SQL).

Funções de Análise Integrada de Dados Espaciais e Descritivos

A potencialidade de um SIG está na sua capacidade de realizar operações de análise espacial envolvendo atributos espaciais e descritivos de forma conjunta. Isto também é um dos principais fatores que distinguem um SIG dos demais sistemas de geoprocessamento. O número de funções que se enquadram nesta categoria é muito grande. A seguir citamos algumas dessas funções.

• Recuperação de dados - são funções que envolvem busca seletiva, manipulação e geração de resultados, sem alterar os valores armazenados no banco de dados. Um exemplo seria a geração de um mapa urbano mostrando a localização das residências com valor nominal acima de um determinado valor.

• Funções de medidas - são executadas sobre os objetos espaciais (pontos, linhas, polígonos e conjunto de células) e incluem funções como distância entre pontos, comprimento de linhas, perímetro de áreas, etc.

• Funções de sobreposição de camadas (overlay) - relaciona informações de duas ou mais camadas de dados. Essas funções podem executar operações aritméticas ou lógicas entre os valores das células localizadas em coordenadas idênticas nas diversas camadas envolvidas (Figura 10).

2 3 3 2 1 1 1 1 3 10 10 30 10 10 30 20 20 30 12 13 33 12 21 11 31 21 33 S S S S N S N N S N N N S S N N S S N N N S N N N N S

'E'

Figura 10 - Operações de sobreposição de camadas

• Funções de interpolação - interpolação é o método matemático no qual valores não definidos em uma localização podem ser calculados com base em estimativas feitas a partir de valores conhecidos em localizações vizinhas. Funções matemáticas como regressão polinomial, Séries de Fourier, médias ponderadas, entre outras, são aplicadas de acordo com a variável que está sendo analisada.

• Geração de contorno - linhas de contorno (ou isolinhas) são usadas para representar superfícies, onde cada linha é formada por pontos de mesmo valor. Funções de geração de linhas de contorno são usadas para construir os mapas topográficos a partir de um conjunto de pontos conhecidos.

• Funções de proximidade - funções que permitem análise de proximidade estão associadas à geração de zonas de buffer. Uma zona de buffer é uma área de extensão regular, que é gerada ao redor dos objetos espaciais (Figura 11).

500m de uma reserva florestal 200m do leito do rio

um raio de 5 Km de um depósito de gás

Funções de Formatação de Saída

Os resultados das operações de análise espacial podem ser gerados na forma de relatórios, gráficos ou, mais comumente, na forma de mapas. Diversas funções podem ser usadas para melhorar a aparência dos mapas resultantes dessas operações como, por exemplo, anotações em mapas, posicionamento de texto, símbolos, iluminação e visões em perspectivas. A seguir, estão listadas algumas dessas funções.

• Anotações em mapas - permitem adicionar aos mapas informações como título, legendas, barra de escala, orientação norte-sul, etc. Podem ser colocados fora dos limites do mapa ou cobrindo alguma parte deste.

• Posicionamento de rótulos - rótulos são colocados junto aos símbolos gráficos que representam fenômenos no mapa. Existem padrões cartográficos para a escolha do posicionamento de rótulos. A maioria dos SIG possuem ferramentas que efetuam o posicionamento de forma automática ou manual.

• Padrões de textura e estilos de linhas - os textos podem variar em tipo de fonte, tamanho, cor e estilo (ex.: negrito, itálico). A escolha dos tipos de letra devem obedecer convenções cartográficas, assim como os estilos de linhas, que podem variar em espessura, cor e forma (ex. tracejada, pontilhada).

• Símbolos gráficos - os símbolos gráficos são usados para representar classes de entidades em um mapa. Alguns símbolos mais comuns são: símbolos de cidades (ex.: tamanho variando de acordo com a população), pontes, aeroportos, hospitais, museus, escolas. Alguns sistemas utilizam o conceito de bibliotecas de símbolos, que podem ser adquiridas de acordo com a área de aplicação específica.

3 Projeto de Bancos de Dados Geográficos 3.1 Dado, Informação e Fenômeno Geográfico

Uma informação é obtida a partir do processamento ou da contextualização de dados brutos. Um dado bruto corresponde a um valor para uma medida observada. Por exemplo, a data 7/9/1822 é um dado bruto. Quando este dado está associado a um contexto torna-se informação. Assim, na expressão “O Brasil tornou-se independente de Portugal em 7 de setembro de 1822”, o dado é transformado em informação.

De modo equivalente, informação geográfica é resultado do processamento de dados geográficos. Um dado geográfico refere-se a uma medida observada de um fenômeno que ocorre sobre/sob a superfície terrestre, onde a localização da observação é um componente fundamental do dado.

O termo fenômeno geográfico compreende, de forma abrangente, a qualquer ocorrência que pode ser: natural (ex.: um lago, a pressão atmosférica, uma formação geológica); antrópica (ex.: uma rodovia, um hospital, divisão territorial política); de fatos (ex.: uma epidemia, uma batalha); ou mesmo de objetos ainda inexistentes (ex.: o planejamento de um gasoduto, projeto de uma usina hidroelétrica).

3.1.1 Componentes da informação geográfica

Segundo Chrisman [CHR 97], a informação geográfica possui três componentes básicos: atributo, espaço e tempo, que possibilitam responder, respectivamente, a três perguntas: o quê? onde? e quando?. Segundo Worboys [WOR 95], cada um desses componentes determina uma categoria de dimensão ao longo da qual os valores são medidos (Figura 12).

Figura 12 - Categorias de dimensões da informação geográfica

Para que um dos três componentes possa ser medido deve-se fixar um segundo componente e usar o terceiro como controle (Sinton, 1978 Apud [CHR 97]). Por exemplo, para medir a altitude (atributo) de uma determinada região, fixa-se o componente tempo, faz-se variar a posição no espaço (controle) e toma-se o valor da altitude para os diversos pontos na região. Um segundo exemplo compreende a medição da temperatura em uma estação meteorológica. Neste caso, a localização da estação é fixa (espaço), o período de tempo da observação serve de controle e a temperatura (atributo) é medida para cada unidade de tempo estabelecida. A definição de qual dimensão pretende-se fixar, usar como controle ou medir, possibilita uma grande variedade de estruturas de medidas da informação geográfica.

Componente Espaço

O componente espacial descreve a localização geográfica e a forma geométrica do fenômeno descrito pela informação geográfica, além de relacionamentos com outros fenômenos geográficos. Como a principal função de um SIG é possibilitar a realização de operações de análise espacial, o componente espacial é o mais importante no contexto de SIG.

Um dado geográfico é, antes de mais nada, um dado espacial, isto é, descreve a forma geométrica (coordenadas numéricas) de um objeto no espaço. Por exemplo, a forma de um cubo no espaço ℜ3 ou uma circunferência projetada no espaço ℜ2 são dados espaciais. Assim, uma linha unindo dois pontos quaisquer em uma imagem de ecografia é um dado espacial, mas não um dado geográfico.

Quando o dado espacial está relacionado com sua localização sobre a superfície terrestre, ou seja, são utilizadas coordenadas geográficas (ex.: latitude/longitude), este dado, além de ser espacial, é um dado geográfico, também conhecido por dado geo-espacial ou dado georreferenciado.

atributo espaço

Devido a uma herança cultural no desenvolvimento de SIG, decorrente do uso de mapas em papel, existe uma predominância quase total no processamento de dados bidimensionais, embora seja possível o processamento de dados espaciais em três dimensões.

Componente Atributo

Um fenômeno geográfico possui características qualitativas e quantitativas que são descritas de forma textual e/ou numérica. O componente atributo, também conhecido por atributo descritivo ou atributo não-espacial, descreve as características não espaciais de um fenômeno geográfico. Nome, população e orçamento anual de um município são exemplos de atributos descritivos.

Atributos descritivos são os mais freqüentes na maioria dos sistemas de informação em geral. A maioria dos SIG utilizam um SGBD para o gerenciamento dos atributos descritivos.

Segundo Aronoff [ARO 89], existe um certo grau de incerteza que é inerente ao componente atributo. Por exemplo, uma floresta de Eucaliptos pode não ser formada por árvores 100% do tipo Eucalipto ou um bairro residencial pode possuir algumas pequenas indústrias instaladas. Para alguns tipos de análises pode ser importante considerar a existência dessas incertezas, embora normalmente este tipo de problema seja desconsiderado pelos usuários de SIG.

Componente Tempo

Todo fenômeno geográfico é eminentemente temporal, ou seja, está associado a um instante ou intervalo de tempo em que este ocorre ou em que é observado [PEU 95]. O componente tempo pode ser crítico para a informação geográfica, dependendo do tipo de fenômeno e do tipo de aplicação em que este está sendo utilizado.

O componente tempo, embora muitas vezes esteja implicitamente associado aos demais componentes da informação geográfica, tem sido tratado como uma simples informação complementar. Por exemplo, todo mapa está associado ao período de tempo relativo à sua confecção e ao período de tempo relativo à validade da informação apresentada. Um novo mapa retratando as divisões provinciais do Brasil no século XVII ilustra esta situação.

A maioria dos sistemas são projetados para fornecer informação atual sobre os fenômenos geográficos. Por exemplo, um sistema de rede de telefonia deve fornecer aos seus usuários, a informação mais atualizada possível. Desta forma, a informação que é extraída do sistema é tida como verdadeira para o momento da consulta. É comum a existência de aplicações onde os aspectos temporais não são contemplados ou são tratados de maneira superficial. No entanto, existem aplicações onde o aspecto temporal é fundamental. Por exemplo, em um sistema de cadastro urbano, os limites dos lotes podem ser modificados (divididos ou unidos a outros lotes), proprietários podem ser trocados, edificações são construídas. O histórico dessas modificações no cadastro territorial é um fator importante neste tipo de aplicação.

3.2 Requisitos de Modelagem para Aplicações de SIG

Devido à necessidade de tratar as três dimensões da informação geográfica, as aplicações de SIG impõem alguns requisitos especiais de modelagem que devem ser suportados pelos modelos conceituais no projeto de banco de dados para estas aplicações. A seguir é descrito o conjunto de requisitos mínimos que um modelo conceitual de dados para aplicações de SIG deve suportar [LIS 99a].

3.2.1 Fenômeno Geográfico e Objeto Convencional

Em um banco de dados geográficos existem, além dos dados referentes aos fenômenos geográficos, outros objetos convencionais, presentes na maioria dos sistemas de informação. Por exemplo, uma fazenda é um fenômeno geográfico quando suas informações espaciais (ex.: os limites da fazenda) estão armazenadas no banco de dados. Neste mesmo banco de dados pode-se ter dados sobre os proprietários de fazendas, considerados objetos convencionais por não terem informações espaciais associadas. Em um esquema conceitual é importante que se possa diferenciar, facilmente, entre classes (ou entidades) descrevendo esses dois tipos de objetos.

3.2.2 Visões de Campo e de Objetos

Segundo Goodchild [GOO 92], a realidade geográfica pode ser observada segundo duas visões: de campo e de objetos.

Na visão de campo a realidade é modelada por variáveis que possuem uma distribuição contínua no espaço. Toda posição no espaço geográfico pode ser caracterizada através de um conjunto de atributos como temperatura, tipo de solo e relevo, medidos para um conjunto de coordenadas geográficas.

Na visão de objetos, a realidade consiste de fenômenos individuais, bem definidos e identificáveis. Cada fenômeno na visão de objetos tem suas propriedades individuais e ocupa um determinado lugar no espaço. A realidade é modelada como um grande espaço onde os fenômenos estão distribuídos sem que, necessariamente, todas as posições do espaço estejam ocupadas.

A modelagem de fenômenos geográficos na visão de objetos2 é um processo natural e direto (ex.: rios são descritos pela classe ou entidade Rio). No entanto, um campo geográfico (ex.: Altimetria) não pode ser modelado diretamente como uma classe, pois Altimetria não é um objeto e, consequentemente, não pode ser descrito diretamente por uma classe.

Um modelo conceitual de dados deve prover construtores especiais para modelar tanto os campos quanto os objetos geográficos. A maioria dos modelos existentes não suporta a modelagem dos fenômenos geográficos que são percebidos na visão de campo.

3.2.3 Aspectos Temáticos

Os fenômenos geográficos possuem vários atributos, dentre os quais o que fornece sua localização geográfica (atributo espacial). A localização e a forma dos fenômenos geográficos são representadas através de objetos espaciais, associados a um sistema de coordenadas. Um objeto representando um fenômeno geográfico (ex.: um rio) deve estar associado a um ou mais objetos espaciais que representam sua localização e sua forma sobre a superfície terrestre. Em um SIG, esses objetos espaciais não são tratados isoladamente, mas sim, em grupos que representam fenômenos com características e relacionamentos em comum. Diferentes termos como tema, camada e plano de informação são encontrados na literatura, referindo-se a estes agrupamentos.

No nível interno de um SIG, a organização dos dados espaciais é feita em camadas físicas (ex.: conjunto de polígonos representando os limites dos lotes urbanos). No entanto, embora o projeto de camadas físicas seja um problema a ser tratado nas etapas de projeto lógico ou físico, diversos autores afirmam que é importante que camadas conceituais sejam definidas durante a fase de projeto conceitual [WOR 95, HAD 96]. Para Hadzilacos [HAD 96], camadas conceituais não necessitam ter uma relação um-para-um com camadas físicas. Por exemplo, uma única camada conceitual, como Hidrografia, pode dar origem a diferentes camadas físicas, uma contendo somente os rios, outra contendo somente os lagos, etc.

3.2.4 Aspectos Espaciais

A localização geográfica e a forma espacial dos fenômenos geográficos podem ser implementadas, em um SIG, através de objetos espaciais. Todo objeto espacial possui uma geometria, que representa a forma espacial do fenômeno, sendo que suas coordenadas devem estar registradas com base em um determinado sistema de coordenadas (ex.: latitude e longitude) e um sistema de projeção (ex.: UTM).

Embora os aspectos espaciais dos fenômenos geográficos possam parecer detalhes que não deveriam ser tratados durante a modelagem conceitual, a sua inclusão no esquema conceitual tem sido fator fundamental na comunicação com o usuário [LIS 00].

Na visão de objetos, os fenômenos geográficos são representados por objetos espaciais do tipo ponto, linha, polígono ou combinações destes, enquanto que na visão de campo uma superfície contínua pode ser representada, por exemplo, através de modelos numéricos, conjuntos de isolinhas, polígonos adjacentes e grade de células.

Diferentes abordagens têm sido propostas para modelagem conceitual dos aspectos espaciais dos fenômenos geográficos. A abordagem mais comum é a que define uma associação entre a classe que descreve o fenômeno e a classe do tipo de objeto espacial correspondente a sua representação espacial. Alguns modelos, no entanto, utilizam pictogramas3 para substituir esta associação.

3.2.5 Múltiplas Representações

Uma das características das aplicações geográficas é a possibilidade de existência de múltiplas representações para um mesmo fenômeno geográfico. Esta necessidade surge em resposta à complexidade da realidade a ser representada e às diferentes visões que os usuários têm de um mesmo fenômeno. Um fenômeno geográfico pode ser representado em diferentes escalas ou projeções, inclusive por diferentes objetos espaciais.

2 _{É importante ressaltar a diferença entre os conceitos de visão de objetos, em contrapartida à visão de campos, e} modelos de objetos, referente à orientação a objetos.

A existência de múltiplas representações pode ser modelada através da inclusão de várias associações entre o fenômeno geográfico e os tipos de objetos espaciais correspondentes.

3.2.6 Relacionamentos Espaciais

Uma das tarefas mais importantes quando se está modelando os dados de uma aplicação é a identificação de quais os relacionamentos que deverão ser mantidos no banco de dados, dentre os possíveis relacionamentos observáveis na realidade. No domínio das aplicações geográficas este problema é bem complexo, uma vez que o número de relacionamentos possíveis de serem mantidos é ainda maior, devido à existência dos relacionamentos espaciais entre os fenômenos geográficos.

A maioria dos SIG fornece estruturas especiais para o armazenamento explícito de alguns tipos de relacionamentos espaciais. Normalmente são mantidos somente os relacionamentos de adjacência ou de conectividade, deixando os demais tipos de relacionamentos espaciais (ex.: pertinência, cruza) para serem calculados a partir das coordenadas espaciais dos objetos. Por outro lado, existem aplicações nas quais alguns relacionamentos espaciais possuem significado semântico relevante, tal como vizinhança e cruzamento de ruas. Nestes casos o projetista necessita especificar estas informações no modelo de dados.

As cardinalidades associadas aos relacionamentos formam um conjunto de restrições de integridade que devem ser mantidas entre as instâncias dos objetos no banco de dados. Para os relacionamentos espaciais, novos tipos de cardinalidade podem ser definidos, tais como, associação espacial, pertinência, etc. Um modelo conceitual de dados para SIG deve fornecer meios para que o projetista represente os relacionamentos a serem mantidos no banco de dados geográficos. Isto inclui tanto os relacionamentos convencionais como os relacionamentos espaciais.

3.2.7 Aspectos Temporais

A maioria dos SIG disponíveis atualmente considera os fenômenos como se o mundo existisse somente no presente. Dados geográficos são alterados ao longo do tempo, mas o histórico dessas transformações não é mantido no banco de dados.

Para Hadzilacos [HAD 96], a necessidade de os dados geográficos estarem qualificados com base no tempo, se deve à necessidade de se registrar estados passados de forma a possibilitar o estudo da evolução dos fenômenos geográficos. Para possibilitar uma análise de dados com base na evolução dos fenômenos geográficos é necessário adicionar aos SIG as potencialidades dos sistemas de bancos de dados temporais. Isto implica na inclusão de informações temporais relacionadas aos fenômenos geográficos e da extensão das linguagens de consulta disponíveis para que estas suportem cláusulas de condição associadas a aspectos temporais [WOR 95].

Alguns modelos conceituais propostos na literatura estendem a notação gráfica para ressaltar a existência dos aspectos temporais em determinadas classes. O modelo GeoOOA [KOS 97], por exemplo, utiliza um pictograma especial (símbolo de um relógio), para diferenciar classes temporais . Além disso, a notação gráfica do modelo é estendida para representar dois tipos especiais de relacionamentos temporais: conexão ancestral e conexão de atributo temporal. A Figura 13 ilustra um trecho da modelagem de um sistema de cadastramento de lotes.

L O T E N ú m e r o Território Tipo de uso Validade uso E S C R I T U R A N ú m e r o Data Relatório D O N O N o m e Endereço Dt-nasc C o m p r a 0,N 1,N 1,N 1,N 0,N 1,N Conexão ancestral Classe espaço-temporal

Conexão de atributo temporal Classe convencional

Figura 13 - Aspectos temporais no modelo GeoOOA

No modelo GeoOOA, um relacionamento de conexão ancestral permite a associação entre versões de um mesmo objeto. Por exemplo, um lote pode ser dividido, em um determinado momento, dando origem a dois novos lotes. A conexão de atributo temporal é usada para destacar uma associação decorrente da necessidade de modelar o aspecto temporal de um atributo. Na figura acima, a classe Escritura é resultado da modelagem dos dados históricos do lote. Na modelagem não temporal, o usual é que cada lote tenha uma única associação com o proprietário atual.

3.3 Modelos Conceituais de Dados para SIG

Um modelo conceitual de dados fornece uma base formal (notacional e semântica) para ferramentas e técnicas usadas para suportar a modelagem de dados. Modelagem de dados é o processo de abstração onde somente os elementos essenciais da realidade observada são enfatizados, descartando-se os elementos não essenciais. O processo de modelagem conceitual de banco de dados compreende a descrição dos possíveis conteúdos dos dados, além de estruturas e de regras a eles aplicáveis. Essa descrição do banco de dados é feita com base nos construtores semânticos fornecidos por um modelo conceitual.

Os requisitos apresentados anteriormente fazem com que modelos conceituais convencionais, como o modelo E-R, não sejam adequados para modelagem de bancos de dados geográficos, ou seja, para modelagem de aplicações de SIG. Atualmente, diversas propostas de modelos conceituais de dados específicos para bancos de dados geográficos podem ser encontrados na literatura. Estes modelos são, na verdade, extensões dos modelos tradicionais. Abaixo são citados os principais modelos encontrados na literatura, classificados de acordo com o tipo de formalismo usado como base:

• Formalismo E-R: Modul-R [BED 96], GISER [SHE 97], Geo-ER [HAD 97];

• Formalismo OO: GMOD [PIR 97], Geo-OMT [BOR 97], GeoOOA [KOS 97], MADS [PAR 99], Perceptory [BED 99], UML-GeoFrame [LIS 99].

Uma análise crítica desses modelos, feita com base nos requisitos descritos nesta seção é apresentada em [LIS 99a].

3.4 Modelando Banco de Dados Geográficos com UML-GeoFrame

Nesta seção é apresentada a abordagem UML-GeoFrame, ou seja, o uso da linguagem UML (Unified Modeling Language) [BOO 98], com base no framework GeoFrame [LIS 99], para a modelagem conceitual de bancos de dados geográficos. Esta solução possibilita a obtenção de esquemas conceituais de dados numa linguagem bastante clara e, portanto, de fácil entendimento por parte dos usuários.

Não é objetivo desse material, a apresentação da linguagem UML. Para maiores detalhes o leitor pode consultar, por exemplo, [BOO 98]. Apenas uma pequena parte dos recursos da UML são utilizados, os quais fazem parte do modelo de classes, cujos principais construtores gráficos são mostrados na Figura 14. Por questões, também de simplificação, a parte da modelagem dinâmica (métodos) não está sendo abordada.

P A C O T E ClasseAgregada atributo : domínio Classe atributo : domínio Subclasse atributo : domínio Subclasse atributo : domínio ClasseComponente atributo : domínio agregação generalização -especialização objeto : classe instanciação 1 * multiplicidade associação composição

Figura 14 - Notação gráfica do diagrama de classes UML (resumida)

Os mecanismos de abstração e os respectivos elementos construtores da linguagem UML, que são utilizados na abordagem UML-GeoFrame, estão resumidos a seguir:

• Classificação – Nos modelos orientados a objetos, um fenômeno de interesse da aplicação é representado como um objeto, o qual possui uma estrutura, capaz de armazenar suas características (atributos) e um comportamento, descrito pelo conjunto de operações que podem ser realizadas com o objeto. Objetos semelhantes são modelados através da definição de uma classe, a qual especifica um conjunto de atributos que descrevem a estrutura e um conjunto de métodos (ou operações) que definem o comportamento dos objetos definidos pela classe.

• Generalização – Classes semelhantes podem ser agrupadas e descritas de forma generalizada. Neste caso, as propriedades da classe genérica (superclasse), ou seja, atributos, métodos e associações, são herdadas pelas classes que foram generalizadas (subclasses).

• Especialização – A especialização é o mecanismo inverso da generalização, no qual uma classe genérica (superclasse) pode ser especializada em uma ou mais classes específicas (subclasses), as quais herdam as propriedades da superclasse, além de novas propriedades poderem ser definidas.

• Associação – Representa os relacionamentos que podem haver entre objetos de diferentes classes. Multiplicidade é o nome dado à cardinalidade de uma associação.

• Agregação – Tipo especial de associação para representar relacionamentos entre objetos compostos e suas partes.

• Composição – Tipo especial de agregação na qual a existência do objeto composto (o todo) depende da existência dos objetos componentes (suas partes).

Além dos mecanismos de abstração relacionados anteriormente, a abordagem UML-GeoFrame utiliza dois elementos próprios da linguagem UML. São eles:

• Pacote – Usado para particionar um diagrama de classes através do agrupamento de elementos da linguagem UML.

• Estereótipo – Mecanismo de extensão dos construtores da linguagem UML. Permite que o projetista defina novos construtores e o utilize na elaboração de diagramas UML.

A Figura 15 ilustra um exemplo de diagrama de classe elaborado usando a UML. Algumas leituras que podem ser feitas neste diagrama são: uma Quadra é uma agregação de Lotes; Lote Edificado e Lote Territorial são especializações de Lote; uma Edificação é uma composição de Unidades Edificadas, as quais estão associadas a um proprietário cada; o diagrama de classes foi incluído em um pacote denominado Loteamento.

L o t e a m e n t o * 1 * * 1 L o t e Territorial L o t e Edificado 1 * * Q u a d r a Proprietário U n i d a d e Edificada Edificação L o t e

Figura 15 - Exemplo de esquema de classes em UML

De forma semelhante ao modelo E-R, o diagrama de classes da linguagem UML também não é adequado à modelagem de banco de dados geográficos, por não atender a vários dos requisitos impostos pelas aplicações de SIG. A seguir é descrito o GeoFrame, o qual estende os construtores da linguagem UML através da definição de um conjunto simples de estereótipos para serem usados na modelagem de banco de dados geográficos.

3.4.1 GeoFrame

GeoFrame é um framework conceitual que fornece um diagrama de classes básicas para auxiliar o projetista nos primeiros passos da modelagem conceitual de dados de uma nova aplicação de SIG [LIS 99]. Um framework pode ser definido como um projeto genérico em um domínio que pode ser adaptado a aplicações específicas, servindo como um molde para a construção de aplicações. Esta definição fornece uma visão bem mais abrangente sobre a potencialidade de um framework do que as definições apresentadas por autores mais ligados à programação orientada a objetos. Por exemplo, Ralph Johnson define um framework como sendo “um projeto reutilizável de um programa, ou parte de um programa, expresso como um conjunto de classes” [JOH 92].

Como instrumento de reutilização, um framework não necessita estar implementado em uma linguagem de programação para fornecer a solução parcial a uma família de problemas. O framework GeoFrame (Figura 16) foi elaborado sob esse enfoque mais genérico, onde o mesmo expressa a idéia de um projeto conceitual parcial para uma família de aplicações geográficas.

T e m a

O b j e t o N ã o G e o g r á f i c o F e n ô m e n o G e o g r á f i c o

C a m p o G e o g r á f i c o ObjetoGeográfico

G r a d e C é l u l a s PolAdjacentes Isolinhas G r a d e P o n t o s T I N PontosIrregulares Linha Polígono P o n t o O b j E s p C o m p l e x o R e p r e s e n t a ç ã o C a m p o ObjetoEspacial n o m e Regiãogeográfica descrição retrata representa representa * 2..n * * * * * 1 1 1

Figura 16 - Diagrama de classes do GeoFrame

O GeoFrame foi definido de acordo com as regras do formalismo da orientação a objetos, utilizando a notação gráfica do diagrama de classes da linguagem UML. As subseções seguintes descrevem as classes do diagrama.

Tema e RegiãoGeográfica

As classes TEMA e REGIÃOGEOGRÁFICA formam a base de qualquer aplicação geográfica. Toda aplicação geográfica tem como objetivo o gerenciamento e a manipulação de um conjunto de dados para uma determinada região de interesse, constituindo um banco de dados geográfico. Assim, para cada região geográfica pode-se especificar uma coleção de temas.

Outra vantagem da utilização do conceito de temas, no esquema conceitual, é que ele funciona como um mecanismo para redução da complexidade em grandes esquemas. É comum existirem aplicações geográficas com centenas de entidades modeladas (ex.: SIGPROGB [LIS 97]). O uso de temas permite ao projetista dividir o esquema em subesquemas coesos, nos quais são agrupadas classes fortemente relacionadas entre si. Em grandes projetos, conjuntos de temas afins podem ser agrupados em um tema mais genérico, formando uma hierarquia de temas.

ObjetoNãoGeográfico e FenômenoGeográfico

Em um banco de dados geográficos existem, além dos dados referentes àqueles fenômenos georreferenciados, com ou sem representação geoespacial, objetos convencionais presentes em qualquer sistema de informação. Alguns objetos não possuem referência com relação a uma localização geográfica, sendo tratados, genericamente, como instâncias de subclasses da classe OBJETONÃOGEOGRÁFICO.

A classe abstrata FENÔMENOGEOGRÁFICO generaliza qualquer fenômeno cuja localização em relação à superfície terrestre seja considerada. Por exemplo, um lote de terra é uma instância de FENÔMENOGEOGRÁFICO

caso seus atributos espaciais estejam representados no banco de dados.

Fenômenos geográficos e objetos não geográficos podem estar relacionados entre si (associação relacionaCom), como no caso em que “todo lote pertence a um proprietário”. A modelagem desse tipo de relacionamento permite que os dados armazenados em um SIG estejam integrados com os demais sistemas de informação da organização.

CampoGeográfico e ObjetoGeográfico

Fenômenos geográficos são percebidos, na realidade, segundo as visões dicotômicas de campo e de objeto [GOO 92]. Essas duas visões acarretam diferentes maneiras de modelagem dos fenômenos geográficos. As