Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 i
MODELAÇÃO DE DADOS GEOGRÁFICOS E MODELAÇÃO
MATEMÁTICA DOS RECURSOS HÍDRICOS SUPERFICIAIS E
SUBTERRÂNEOS PARA O PLANEAMENTO E GESTÃO DOS
RECURSOS HÍDRICOS SOB JURISDIÇÃO DA ARH DO CENTRO, I.P.
Relatório 2: Modelo lógico de dados geográficos de
suporte ao planeamento e gestão de recursos hídricos
GEOGRAPHIC DATA MODELING AND WATER RESOURCES
MATHEMATICAL MODELING FOR THE WATER RESOURCES
PLANNING AND MANAGEMENT OF THE ARH DO CENTRO, I.P.
Report 2: Logical geographical data model applied to support water
resources planning and management
MODELE DE DONNEES GEOGRAPHIQUES ET MODELES DE
RESOURCES HIDRIQUES DANS LE DOMAINE DE JURISDICTION
DE L'ARH DO CENTRO, I.P.
Rapport 2: Modèle de données logique à l'appui de la gestion et
planification de l'eau
GLOSSÁRIO DE SIGLAS E ABREVIATURAS
AAE - Avaliação ambiental estratégica ACB - Avaliação Custo-Benefício ACE - Análise Custo-Eficácia
AIA - Avaliação de impacte ambiental
ARH - Administração da Região Hidrográfica do Centro, I.P. DAS – Directiva das Águas Subterrâneas (Directiva 2006/118/CE) DQA - Directiva-Quadro da Água
EQS - Normas de Qualidade Ambiental (Environmental Quality Standards) ETAR - Estação de Tratamento de Águas Residuais
ETDAS – Ecossistemas terrestres dependentes das águas subterrâneas GEP – Gestor Electrónico de Processos
IGP - Instituto Geográfico Português IGeoE – Instituto Geográfico do Exército INAG - Instituto da Água, I.P.
INSAAR - Inventário Nacional de Sistemas de Abastecimento de Água e de Águas Residuais INSPIRE – Infra-estrutura europeia de informação geográfica
LA - Lei da Água
NMC - Nível de Máxima Cheia
NPA - Nível de Pleno Armazenamento NRC - Nível de Recuperação de Custos MA - Massa de água
MDG - Modelo de Dados Geográficos PBH - Plano de Bacia Hidrográfica
PCIP - Prevenção e Controlo Integrados de Poluição
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 iii PEGA - Planos Específicos de Gestão das Águas
POAAC – Plano de Ordenamento de Albufeiras de Águas Classificadas POE – Plano de Ordenamento de Estuário
POOC – Planos de Ordenamento de Orla Costeira PET - Plano Estratégico de Transportes
PGBH - Plano de Gestão de Bacia Hidrográfica PGRH – Plano de Gestão de Região Hidrográfica PDM - Plano Director Municipal
POOC - Planos de Ordenamento da Orla Costeira PROT - Planos Regionais de Ordenamento do Território RAN – Reserva Agrícola Nacional
REN - Reserva Ecológica Nacional
RNAP – Rede Nacional de Áreas Protegidas RH - Região Hidrográfica
SIC – Sítios de Interesse Comunitário SIG - Sistemas de Informação Geográfica
SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos VMA - Valor Máximo Admissível
VMR - Valor Máximo Recomendado
WISE - Water Information System for Europe ZPE - Zonas de Protecção Especial
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 v
MODELAÇÃO DE DADOS GEOGRÁFICOS E MODELAÇÃO
MATEMÁTICA DOS RECURSOS HÍDRICOS SUPERFICIAIS E
SUBTERRÂNEOS PARA O PLANEAMENTO E GESTÃO DOS
RECURSOS HÍDRICOS SOB JURISDIÇÃO DA ARH DO CENTRO, I.P.
Relatório 2: Modelo lógico de dados geográficos de
suporte ao planeamento e gestão de recursos hídricos
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Apresentação e objectivos ... 1
1.2 Organização do relatório... 2
1.3 Documentos de base analisados ... 3
2 DESENVOLVIMENTO DO MODELO DE DADOS GEOGRÁFICOS ... 5
2.1 Universo do discurso ... 5
2.2 Modelo conceptual ... 5
2.3 Esquema de aplicação do modelo de dados geográficos... 7
2.3.1 Introdução... 7
2.3.2 Enquadramento ... 9
2.3.3 Consistência entre representações no modelo de dados ... 11
2.3.4 Estruturação do esquema de aplicação ... 12
2.3.5 Identificação e codificação dos objectos do MDG... 13
2.3.6 Simbologia dos diagramas de classes UML ... 13
2.4 Pacotes UML... 16
2.4.1 Sistema de drenagem ... 16
2.4.1.1 Diagrama de classes Drenagem ... 16
2.4.2 Unidades de gestão ... 25
2.4.2.1 Diagrama de classes de unidades de gestão ... 25
2.4.2.2 Diagrama de classes de limites das águas marítimas ... 28
2.4.3 Hidráulica fluvial ... 30
2.4.4 Hidrografia ... 34
2.4.4.1 Diagrama de classes sobre Hidrografia ... 35
2.4.4.2 Diagrama de classes sobre massas de água superficiais ... 46
2.4.5 Séries temporais ... 49
2.4.6 Programas de monitorização e avaliação do estado das massas de água ... 54
2.4.6.1 Diagrama de classes sobre programas de monitorização ... 55
2.4.6.2 Diagrama de classes sobre o estado das massas de água superficiais ... 57
2.4.6.4 Diagrama de classes sobre a avaliação de tendências de estado das
massas de água subterrâneas ... 68
2.4.6.5 Diagrama de classes sobre os regimes de excepção aplicados às massas de água ... 71
2.4.7 Programas de medidas ... 73
2.4.7.1 Diagrama de classes sobre programas de medidas ... 74
2.4.7.2 Diagrama de classes das associações entre medidas e as entidades geográficas a que se aplicam... 78
2.4.8 Pressões antropogénicas ... 82
2.4.8.1 Diagrama de classes sobre pressões antropogénicas tópicas e difusas ... 86
2.4.9 Rede hidrográfica ... 90
2.4.9.1 Representação da rede hidrográfica através de uma rede geométrica ... 91
2.4.9.2 Diagrama de classes para representação da rede hidrográfica com recurso a grafos... 101
2.4.9.3 Diagrama de classes para segmentação dinâmica da rede hidrográfica ... 104
2.4.10Análise de riscos ... 105
2.4.10.1 Diagrama de classes sobre risco de seca meteorológica e agrícola ... 109
2.4.11Zonas protegidas ... 110
2.4.11.1 Diagrama de classes sobre áreas classificadas ... 111
2.4.11.2 Diagrama de classes sobre perímetros de protecção... 112
2.4.11.3 Diagrama de classes sobre associações de perímetros de protecção a captações (pontos de água subterrânea)... 114
2.4.11.4 Diagrama de classes sobre zonas protegidas ... 115
2.4.12Objectos superficiais... 122
2.4.12.1 Diagrama de classes sobre associações à rede hidrográfica... 123
2.4.12.2 Diagrama de classes sobre metodologias aplicadas à identificação e classificação de massas de águas superficiais... 125
2.4.12.3 Diagrama de classes sobre cargas poluentes de pressões... 125
2.4.12.4 Diagrama de classes sobre eventos a reportar à rede hidrográfica ... 127
2.4.12.5 Diagrama de classes sobre gestão de atribuição de códigos identificadores... 127
2.4.12.6 Diagrama de classes sobre descargas superficiais de pressões tópicas e difusas 128 2.4.12.7 Diagrama de classes sobre secções transversais ... 128
2.4.12.8 Diagrama de classes sobre análise de risco... 129
2.4.12.9 Diagrama de classes sobre associações de perímetros de protecção a captações (pontos de água subterrânea)... 129
2.4.12.10Diagrama de classes sobre associações dos programas de monitorização a massas de água... 129
2.4.12.11Diagrama de classes sobre a classificação das massas de água como prioritárias ... 130
2.4.13Águas subterrâneas ... 132
2.4.14Objectos de águas subterrâneas ... 135
2.4.14.1 Diagrama de classes sobre características das massas de águas subterrâneas... 135
2.4.14.2 Diagrama de classes sobre características dos pontos de água subterrânea... 140
2.4.14.3 Diagrama de classes sobre sistemas superficiais associados às massas de águas subterrâneas... 144
2.4.15Cumprimento legal ... 146
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 vii
3 SISTEMA DE CÓDIGOS IDENTIFICADORES ... 152
3.1.1 Identificadores internos à base de dados (IDHidro) ... 152
3.1.2 Identificadores externos à base de dados... 159
3.1.3 Código de identificação europeu ... 160
4 QUALIDADE DOS DADOS: CONSISTÊNCIA TOPOLÓGICA ... 161
5 INTEGRAÇÃO COM O GESTOR ELECTRÓNICO DE PROCESSOS ... 163
6 IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO DE DADOS ... 167
7 SIMBOLOGIA ... 168
8 CONCLUSÕES ... 175
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 178
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 ix
Lista de Figuras
Figura 1. Lista codificada de valores aplicável ao código de região hidrográfica no que
respeita à área de jurisdição... 9
Figura 2. Classe de base para identificação, codificação e relacionamento de objectos hidrográficos ... 13
Figura 3. Diagrama de Classes UML referente aos elementos de Drenagem ... 17
Figura 4. Representação da matriz de direcções de escoamento e respectivas linhas de drenagem... 18
Figura 5. Produção da matriz de definição dos cursos de água: a) matriz de acumulação do escoamento; b) matriz de definição dos cursos de água. ... 19
Figura 6. Segmentação da matriz de definição de cursos de água: a) matriz de definição dos cursos de água; b) rede segmentada de acordo com esta matriz ... 19
Figura 7. Conversão da matriz de segmentação das linhas de drenagem (azul claro) em linhas de drenagem (azul escuro) ... 20
Figura 8. Estrutura da classe relativa a sub-bacias hidrográficas... 20
Figura 9. Cálculo da matriz de definição de sub-bacias-hidrográficas ... 21
Figura 10. Associação entre os atributos IDHidroJusante e IDHidro nas sub.bacias hidrográficas ... 22
Figura 11. Associação entre as classes SubBaciasHidrograficas e PontosDrenagem. Vistas da sub-bacia hidrográfica de jusante... 22
Figura 12. Classe LinhasDrenagem ... 23
Figura 13. Relações espaciais e alfanuméricas da classe LinhasDrenagem... 24
Figura 14. Categorias de massas de água a reportar no âmbito da DQA (de acordo com a área drenante respectiva) ... 25
Figura 15. Diagrama de classes referente à administração de recursos hídricos ... 26
Figura 16. Propriedades da classe RegioesHidrograficas ... 27
Figura 17. Propriedades da classe AutoridadesCompetentes... 28
Figura 18. Diagrama de classes dos limites das águas marítimas ... 29
Figura 19. Delimitação das regiões hidrográficas (Fonte: InterSIG, Regiões Hidrográficas (Artigo 13.º da DQA))... 30
Figura 20. Diagrama de classes referente aos elementos de hidráulica fluvial... 31
Figura 21. Domínio de dados dPerfisLongitudinais ... 31
Figura 22. Associação estabelecida entre as entidades referentes a infra-estruturas hidráulicas e as respectivas secções transversais quando aplicável... 32
Figura 23. Representação bidimensional (à esquerda) e tridimensional (à direita) das secções transversais e perfis longitudinais do troço de um curso de água ... 33
Figura 24. Perfil da secção transversal ... 33
Figura 25. Diagrama de classes Hidrografia ... 35
Figura 26. Classe EstacoesMonitorizacao ... 38
Figura 27. Associação das descargas superficiais a um nó da rede hidrográfica ... 39
Figura 28. Sistema de codificação da associação Barragens-JuncoesHidro. a) Representação das classes Lagos, Rios, JuncoesHidro e Barragens. b) Sistema de codificação de suporte à associação entre as classes Barragens-JuncoesHidro ... 41
Figura 29. Sub-conjunto do diagrama de classes Hidrografia referente às zonas de domínio público hídrico... 42
Figura 30. Exemplo de margens alcantiladas (Adaptado de Servidões e Restrições de Utilidade Pública, 2005) ... 43
Figura 31. Exemplo de representação de margem de água navegáveis ou flutuáveis em que se incluem margens alcantiladas... 43
Figura 32. Representação esquemática das entidades margens e zonas adjacentes de massas de água navegáveis ou flutuáveis ... 45
Figura 33. Representação esquemática da entidade zona inundável ... 45
Figura 34. Diagrama de classes referente às categorias de massas de água superficiais ... 48
Figura 35. Diagrama de classes respeitantes ao registo de observações das estações de monitorização e parâmetros monitorizados nas componentes de águas superficiais e subterrâneas ... 52
Figura 36. Classe referente aos programas de monitorização das águas superficiais, zonas protegidas e águas subterrâneas ... 56
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 xi Figura 38. Procedimento genérico dos testes de classificação para avaliar o estado da água
subterrânea (adaptado do documento guia n.º 18) ... 63 Figura 39. Diagrama de classes UML EstadoMASubterraneas referente à avaliação do
estado das massas de água subterrâneas... 64 Figura 40. Diagrama de Classes UML AvaliacaoTendenciasMASSubterraneas com a
avaliação das tendências de evolução dos parâmetros químicos das
massas de águas subterrâneas... 70 Figura 41. Diagrama de Classes UML referente à deterioração temporária e não violação ... 73 Figura 42. Diagrama de classes respeitantes aos programas de medidas ... 76 Figura 43. Diagrama das associações estabelecidas entre as medidas e as classes de
entidades geográficas às quais se aplicam ... 81 Figura 44. Exemplo da utilização de uma classe de desmultiplicação de cardinalidade N:M
(muitos para muitos) ... 82 Figura 45. Diagrama de classes referente às pressões tópicas e difusas... 87 Figura 46. Exemplo de associação entre pressão e descarga superficial afecta ... 88 Figura 47. Representações da classe de pressão tópica referente a explorações pecuárias:
A) com as propriedades referentes às cargas poluentes; B) sem a
quantificação de cargas poluentes como propriedades da classe... 89 Figura 48. Relação de elementos de implementação da política da água com o processo de
análise do impacto das actividades humanas. ... 90 Figura 49. Representação das classes em que se baseia a representação da rede
hidrográfica ... 91 Figura 50. Representação dos tipos de segmentos da rede hidrográfica sobre Lagos ... 92 Figura 51. Vectorização da Linha de Escoamento: (A) considerando o centro do escoamento
resultante do encontro das bissectrizes da altura da coluna de água com a largura da secção transversal molhada; (B) considerando o talvegue do curso de água; (C) a intercepção dos taludes das margens quando a
batimetria é desconhecida. ... 93 Figura 52. Representação bidimensional das opções de representação da linha de
escoamento ... 93 Figura 53. Exemplo da associação entre as bacias hidrográficas e os nós da rede
Figura 54. Associação entre as Bacias Hidrográficas e os nós da rede... 96
Figura 55. Transferência de valores do atributo IDHidro (classe JuncaoHidro) para IDHidroJusante (atributo da classe Lagos) ... 97
Figura 56. Migração de valores de atributos entre as classes Lagos e a classe JuncoesHidro ... 98
Figura 57. Seccionamento da rede hidrográfica para associação de outras entidades geográficas ... 99
Figura 58. Associação de entidade geográfica à rede sem necessidade de seccionamento ... 99
Figura 59. Classe de SegmentosHidro com os respectivos valores admissíveis relativos à direcção de escoamento... 100
Figura 60. Representação de uma rede hidrográfica com recurso a grafos... 103
Figura 61. Diagrama de classes para a representação por grafos ... 103
Figura 62. Exemplo da segmentação dinâmica de um curso de água. ... 105
Figura 63. Diagrama de classes de suporte à referenciação linear e pontual... 105
Figura 64. Diagrama de classes referente às classes de riscos naturais e tecnológicos... 106
Figura 65. Limites de zonas inundáveis associados a secções transversais ... 109
Figura 66. Diagrama de classes da associação das secas meteorológicas e agrícolas à classe respeitante às unidades de resposta hidrológica ... 110
Figura 67. Diagrama de classes referente às áreas classificadas (rede nacional de áreas protegidas) ... 112
Figura 68. Diagrama de classes sobre os perímetros de protecção a captações superficiais e subterrâneas ... 114
Figura 69. Diagrama de classes referente às associações entre a classe PontosAguaSubterranea e os respectivos perímetros de protecção a captações de águas subterrâneas... 115
Figura 70. Diagrama de classes respeitante às zonas protegidas ... 116
Figura 71. Etapas da definição da Rede Natura 2000 (extraído de: Natura 2000, DG XI’s Nature Newsletter, Maio de 1996) ... 120
Figura 72. Diagrama de classes referente às classes geográficas associadas à rede hidrográfica ... 124
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 xiii Figura 73. Diagrama de classes de suporte ao registo das metodologias aplicadas na
identificação e classificação do estado das massas de águas superficiais ... 125
Figura 74. Diagrama de classes referente à estimativa das cargas poluentes de cada pressão tópica e difusa ... 126
Figura 75. Diagrama de classes de referenciação linear e pontual ... 127
Figura 76. Diagrama de classes de suporte à gestão de códigos identificadores IDHidro ... 127
Figura 77. Diagrama de classes de associação das pressões às respectivas descargas superficiais ... 128
Figura 78. Diagrama de classes de declaração das associações com a classe de entidades geográficas respeitante às secções transversais... 129
Figura 79. Diagrama de classes relativo às associações entre os programas de monitorização e as massas de águas superficiais e subterrâneas ... 130
Figura 80. Diagrama de classes sobre a classificação de massas de água como prioritárias... 132
Figura 81. Diagrama de Classes UML AguasSubterraneas referente às entidades com representação geográfica relacionadas com as águas subterrâneas... 133
Figura 82. Diagrama de Classes UML CaracteristicasSubterraneas referente às entidades com representação geográfica relacionadas com as águas subterrâneas. ... 139
Figura 83. Diagrama de Classes UML CaracteristicasPontoAgua referente às características e utilização do ponto de água subterrânea. ... 141
Figura 84. Diagrama de Classes UML SistemasSuperficiaisAssociados. ... 145
Figura 85. Diagrama de classes para a classificação do estado do cumprimento legal ... 150
Figura 86. Diagrama de classes para implementação do esquema XML WISE: RBMP1... 151
Figura 87. Composição do código identificador IDHidro... 155
Figura 88. Implementação das tabelas de gestão de atribuições de códigos identificadores... 158
Figura 89. Diagrama de classes das entidades geográficas alvo de título de utilização de recursos hídricos geridos pelo GEP ... 166
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 xv
LISTA DE QUADROS
Quadro 1. Elementos gráficos de estrutura utilizados na UML... 14
Quadro 2. Elementos gráficos de associação utilizados na UML ... 15
Quadro 3. Cores atribuídas às classes UML do MDG ... 15
Quadro 4. Definição do estado quantitativo (Decreto-Lei n.º 77/2006, Anexo V, 2.1.2, ou DQA, Anexo V, 2.1.2) ... 61
Quadro 5. Definições do bom estado químico das águas subterrâneas (Decreto-Lei n.º 77/2006, Anexo V, 2.3.2, ou DQA, Anexo V, 2.3.2) ... 62
Quadro 6. Atributos de classificação e descrição do cumprimento das disposições legais ... 146
Quadro 7. Identificação das entidades geográficas potencialmente classificáveis no que respeita ao cumprimento legal (baseada no anexo VI do Guia metodológico para a elaboração dos PGBH do Centro)... 147
Quadro 8. Estrutura das tabelas de gestão do código identificador IDHidro ... 153
Quadro 9. Tabelas de gestão do código identificador IDHidro ... 153
Quadro 10. Correspondência de tipos de dados definidos no MDG e o MS Access ... 155
Quadro 11. Correspondência de tipos de dados definidos no MDG e o Oracle... 156
Quadro 12. Correspondência de tipos de dados definidos no MDG e o PostGreSQL ... 156
Quadro 13. Correspondência de tipos de dados definidos no MDG e o SQL Server ... 157
Quadro 14. Lista de códigos identificadores previstos no MDG ... 158
Quadro 15. Códigos identificadores externos previstos no MDG ... 159
Quadro 16. Regras topológicas aplicadas ao MDG ... 161
Quadro 17. Universo de tipologias de processos administrativos considerados no GEP ... 163
Quadro 18. Cores e respectivos códigos numéricos de base 10 e 16 de misturas cromáticas RGB ... 168
Quadro 19. Elementos de simbologia adoptados para a apresentação cartográfica de entidades geográficas definidas por diploma legal... 168
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 1
MODELAÇÃO DE DADOS GEOGRÁFICOS E MODELAÇÃO
MATEMÁTICA DOS RECURSOS HÍDRICOS SUPERFICIAIS
E SUBTERRÂNEOS PARA O PLANEAMENTO E GESTÃO
DOS RECURSOS HÍDRICOS SOB JURISDIÇÃO DA ARH DO
CENTRO, I.P.
Relatório sobre o modelo lógico de dados geográficos de
suporte ao planeamento e gestão de recursos hídricos
1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação e objectivos
A Directiva-Quadro da Água visa proteger as águas superficiais interiores, as águas de transição, as águas costeiras e as águas subterrâneas, e visa atingir determinados objectivos ambientais através da execução de programas de medidas especificados no Plano de Gestão das Região Hidrográfica (PGRH), que abrange, no caso da Administração da Região Hidrográfica do Centro I.P. (ARH do Centro), as bacias hidrográficas dos Rios Mondego, Vouga e Lis. Os sistemas de informação foram identificados pela ARH do Centro I.P como uma ferramenta de gestão dos recursos hídricos eficaz e eficiente, podendo contribuir para o cumprimento das metas a serem fixadas por estes PGBH. Neste contexto, a ARH do Centro convidou o LNEC a realizar um estudo destinado à concepção e desenvolvimento da especificação de informação geográfica de suporte ao planeamento e gestão de recursos hídricos, à elaboração de cartas de zonas inundáveis fluviais e estuarinas e à caracterização e modelação dos aspectos quantitativos e qualitativos das massas de águas subterrâneas, aplicáveis às regiões hidrográficas sob jurisdição da ARH do Centro. Este estudo foi objecto de contrato entre as duas entidades, datado de 28 de Setembro de 2010.
O projecto está estruturado em quatro componentes:
• Componente 1: Desenvolvimento e implementação da especificação de informação geográfica através de modelos de dados geográficos;
• Componente 2: Modelação de recursos hídricos – cartas de zonas inundáveis fluviais;
• Componente 3: Modelação da inundação na ria de Aveiro e no estuário do rio Mondego;
• Componente 4: Modelação qualitativa e quantitativa em aquíferos.
O objectivo da componente 1 é a definição e a implementação de um modelo de dados geográficos para as bases geográficas de referência e temáticas, de caracterização da rede hidrográfica, das massas de água superficiais e subterrâneas, e das respectivas zonas protegidas.
Esta componente foi dividida nas seguintes tarefas:
• Tarefa 1.1. – Análise de requisitos dos modelos de dados geográficos;
• Tarefa 1.2. – Especificação de informação geográfica através de modelos de dados;
• Tarefa 1.3. – Implementação e validação do modelo de dados;
• Tarefa 1.4. – Apoio à experimentação do sistema e à definição de estratégias para a sua manutenção.
O presente documento constitui o 2º relatório da Componente 1 (R2). O objectivo deste relatório é a definição dos requisitos para o desenvolvimento do modelo de dados geográficos (MDG) de suporte às acções de planeamento e gestão a executar pela ARH do Centro.
O desenvolvimento do MDG suportará os produtos referentes às componentes de:
• Modelação de recursos hídricos para elaboração de cartas de zonas inundáveis fluviais e de risco de inundações para os trechos dos rios Mondego e Vouga compreendidos entre a confluência do rio Ceira e o limite de propagação da maré e, entre Águeda e Cacia respectivamente as quais implementam o Decreto-Lei n.º 115/2010 de 22 de Outubro (avaliação e gestão dos riscos de inundações);
• Modelação da inundação na ria de Aveiro e no estuário do rio Mondego, com o desenvolvimento das correspondentes cartas de inundação;
• Modelação qualitativa e quantitativa em aquíferos, que inclui a caracterização hidrogeológica da zona de jurisdição da ARH Centro, a caracterização das vulnerabilidades à poluição e à intrusão marinha, bem como a modelação de perímetros de protecção de captações de águas subterrâneas.
A pedido da ARH do Centro I.P., antecipou-se a elaboração do MDG respeitante aos conceitos aplicáveis às massas de água superficiais e subterrâneas.
1.2 Organização do relatório
Este relatório está organizado em sete capítulos para além da presente Introdução. O capítulo 2 descreve o universo de discurso, o modelo conceptual, e descreve em detalhe a justificação técnica e legal de cada um dos diagramas de classes do esquema de aplicação. O capítulo 3 apresenta o sistema de códigos identificadores das entidades a registar na base de dados. O capítulo 4 apresenta as regras topológicas para garantia da qualidade dos dados. No capítulo 5 são descritos os aspectos de integração com o gestor electrónico de processos de licenciamento da ARH do Centro. As questões de implementação do esquema de aplicação (modelo físico de dados) são descritas no capítulo 6. O capítulo 7 apresenta a simbologia, e no capítulo 8 referem-se as principais conclusões.
Os diagramas de classes do esquema de aplicação, o catálogo de entidades, o dicionário de dados e o ficheiro XML (XML Workspace Document) para implementação do modelo de dados geográficos,
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 3 são disponibilizados em formato digital no CD-ROM anexo a este relatório (Anexo). Alguns diagramas de classes UML, representados como figuras no texto do relatório, são de difícil leitura devido à sua complexidade e dimensão, pelo que se sugere o recurso aos diagramas através do ficheiro HTML disponibilizado no CD-ROM anexo.
1.3 Documentos de base analisados
Para a elaboração deste relatório foram considerados os seguintes documentos:
• Guia metodológico para a elaboração do plano de gestão da região hidrográfica do Centro;
• GIS Guidance document n.º 22 (Guidance on implementing the GIS elements of the EU water
policy);
• Tools and services for reporting under RBMP within WISE – Guidance on reporting of spatial
data for the WFD (RBMP), version 2.0 (Outubro 2009)
• Tools and services for reporting under RBMP within WISE – Reporting of the RBMP – A user
manual, version 2.0 (Outubro 2009)
• WISE XML Schemas (meta-documentos XML);
• Lei n.º 58/2005, de 29 de Dezembro, aprova a Lei da Água, transpondo para a ordem jurídica nacional a Directiva n.º 2000/60/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro, e estabelecendo as bases e o quadro institucional para a gestão sustentável das águas – Lei da Água (LA);
• Decreto-Lei n.º 77/2006, de 30 de Março, complementa a transposição da Directiva n.º 2000/60/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro, que estabelece um quadro de acção comunitária no domínio da política da água, em desenvolvimento do regime fixado na Lei n.º 58/2005, de 29 de Dezembro;
• Decreto-Lei n.º 208/2008, de 28 de Outubro, estabelece o regime de protecção das águas subterrâneas contra a poluição e deterioração, transpondo para a ordem jurídica interna a Directiva n.º 2006/118/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 12 de Dezembro, relativa à protecção da água subterrânea contra a poluição e deterioração;
• Directiva 2000/60/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro de 2000, que estabelece um quadro de acção comunitária no domínio da política da água – Directiva Quadro da Água (DQA);
• Directiva 2006/118/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 12 de Dezembro de 2006, relativa à protecção das águas subterrâneas contra a poluição e a deterioração – Directiva das Águas Subterrâneas (DAS).
• Guia metodológico para o plano de gestão das regiões hidrográficas do Norte;
• European Environment Agency (2009) – “Data Dictionary - Definition of WISE-SoE Reporting: Groundwater quality dataset”. Version: July 2009. European Environment Agency;
• European Commission (2003a) - Guidance document n.º 3 “Analysis of Pressures and Impacts”. Produced by Working Group 2.1 – IMPRESS. ISBN 92-894-5123-8.
• European Commission (2003b) - Guidance document n.º 9. “Implementing the Geographical Information System Elements (GIS) of the Water Framework Directive”.
• European Commission (2003c) - Guidance document n.º 12 “The role of wetlands in the Water Framework Directive”. Common Implementation Strategy for the Water Framework Directive (2000/60/EC). ISBN 92-894-6967-6;
• European Commission (2009a) - Guidance Document n.º 18 “Guidance on groundwater status and trend assessment”. Common Implementation Strategy for the Water Framework Directive (2000/60/EC). Technical Report - 2009 - 026. ISBN 978-92-79-11374-1;
• European Commission (2009b) - Guidance Document n.º 21 “Guidance for reporting under the Water Framework Directive”. Common Implementation Strategy for the Water Framework Directive (2000/60/EC). Technical Report - 2009 - 029. ISBN 978-92-79-11372-7;
• European Commission (2009c) - Guidance Document n.º 22 “Updated Guidance on Implementing the Geographical Information System (GIS) Elements of the EU Water policy”. Common Implementation Strategy for the Water Framework Directive (2000/60/EC). Technical Report - 2009 - 028. ISBN 978-92-79-11373-4;
• European Commission (2009d) - Guidance Document No. 22 “Updated Guidance on Implementing the Geographical Information System (GIS) Elements of the EU Water policy”. Common Implementation Strategy for the Water Framework Directive (2000/60/EC). Appendix 13.3: Guidance on the reporting of geographical data on groundwater bodies under the WFD and GWD. http://eea.eionet.europa.eu/Public/irc/eionet-circle/eionet-
telematics/library?l=/technical_developments/wise_technical_group/updated_2nd-edition/appendices_updated/appendix_13/geographical_groundwater/_EN_1.0_&a=d. Ficheiro Word descarregado em 2010-01-06.
• Atkins (2009) - Tools and services for reporting under RBMP within WISE. Guidance on reporting of spatial data for the WFD (RBMP). Version 3.0, December 21, 2009;
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 5
2 DESENVOLVIMENTO DO MODELO DE DADOS GEOGRÁFICOS
2.1 Universo do discurso
A descrição do universo de discurso assume o formato de texto informal onde é descrito, com base em linguagem corrente, o universo de aplicação dos conceitos modelados. Trata-se de uma descrição do sistema que se pretende modelar através das representações dos elementos que o constituem e da área técnico-científica a que se destina. O universo de discurso é assim entendido como um modelo do mundo real que se pretende ver descrito através do modelo de dados geográficos.
O MDG desenvolvido destina-se a caracterizar os elementos físicos e abstractos correspondentes à localização e descrição das massas de água superficiais (rios, lagos, transição e costeiras) no que respeita aos seus aspectos de qualidade química e ecológica, e das massas de água subterrâneas, nos seus aspectos quantitativos e químicos, Destina-se também a caracterizar os elementos que, não representando massas de água, contribuem de forma directa ou indirecta para o estado das mesmas no âmbito do definido na DQA e na LA.
Integram esta especificação de informação geográfica as classes de objectos que caracterizam as pressões antropogénicas a que estão sujeitas as massas de água, bem como os programas de monitorização que visam mitigar o seu efeito, nomeadamente tendo em consideração as vários tipos de pressões antropogénicas. São consideradas as zonas denominadas como zonas protegidas no enquadramento legal interno aplicável ao planeamento e gestão de recursos hídricos, bem como as áreas classificadas como áreas protegidas para a conservação da natureza e biodiversidade. Em resultado de uma visão multidisciplinar e integrada são considerados aspectos próprios de outras directivas relacionadas com a DQA, tais como a Directiva Aves e Directiva Habitats. É também tida em conta a Directiva de Avaliação e Gestão do Risco de Inundação, através de uma classe. É proporcionada também a caracterização de diversos tipos de infra-estruturas que possam influenciar a qualidade ecológica e química das massas de água.
2.2 Modelo conceptual
O universo de discurso é formalmente descrito através do modelo conceptual, também denominado esquema conceptual. As definições dos conceitos considerados no modelo de dados surgiram das seguintes fontes:
1. Guia metodológico para a elaboração dos PGBH das regiões sob jurisdição da ARH do Centro; 2. Legislação europeia e nacional aplicável ao planeamento e gestão de recursos hídricos;
3. Termos e conceitos preconizados pelas autoridades competentes a nível regional, nacional e europeu;
O modelo conceptual de dados consiste numa descrição formal do universo de discurso, através de uma linguagem conceptual esquemática, que dispõe dos elementos linguísticos necessários à manipulação do conteúdo do modelo conceptual. A linguagem conceptual esquemática é baseada num formalismo conceptual que fornece as regras, as restrições, as funções, os processos e outros elementos que constituem, no seu todo, esse mesmo formalismo. O formalismo conceptual fornece a base para descrever formalmente todo o conhecimento considerado relevante para uma aplicação de tecnologia de informação (INSPIRE, 2008 – D 2.5). A UML foi adoptada como a linguagem conceptual esquemática a utilizar na especificação de informação geográfica proposta.
O modelo conceptual inclui todos os termos e conceitos (não apenas os respeitantes aos elementos geográficos) e as suas propriedades, operações, associações e restrições. Nesta fase do processo de modelação foi dada ênfase ao entendimento comum dos conceitos envolvidos. As principais características que se podem apontar ao modelo conceptual desenvolvido no que respeita aos seus objectivos são as seguintes:
• Precisão geométrica, com cobertura homogénea e compreensível;
• Exequibilidade de implementação de regras topológicas;
• Faseamento do processo de modelação considerando os requisitos de mapeamento, relato, legais internos, e de modelação e análise espacial;
• Exequível com os CDG existentes.
Normalmente, com vista a facilitar a compreensão, não são representados no modelo conceptual a lista de atributos exaustiva, os seus tipos ou a multiplicidade das associações. Assim, este tipo de modelos contribui para partilhar uma visão dos conceitos em causa, permitindo partilhar com a equipa envolvida essa perspectiva.
No que respeita às soluções de desenho podem identificar-se as seguintes características:
• Adopção de um intervalo de escalas de representação entre 1/5 000 a 1/250 000;
• Ser baseado em “unidades funcionais”: bacia de drenagem funcional elementar e massa de água;
• Ter em consideração sistemas como o WISE1, CCM2;
• Seguir o Glossário internacional de hidrologia (UNESCO/WMO),
www.cig.ensmp.fr/~hubert/glu/aglo.htm;
• Ter em conta o EuroRegionalMap, que adopta o formato do catálogo de entidades e atributos do DIGEST (FACC);
• Ter em conta a Directiva-Quadro da Água, Lei da Água e outros diplomas legais nacionais aplicáveis;
• Ter em conta os WISE GIS Guidance documents.
1
Water Information System for Europe
2
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 7 O conceito de proximidade geo-semântica dos conceitos a modelar implica uma descrição e definição o mais rigorosa possível para a construção de um modelo conceptual do universo do discurso, dado que elementos do mundo real supostamente distintos apresentam, semântica e geograficamente, uma relativa proximidade. São exemplos deste tipo de elementos geográficos os designados por: “albufeira”, “massa de água fortemente modificada” e “lago”. Denomina-se assim um esquema conceptual como a descrição formal de um modelo conceptual (ISO 19101). A ISO 19107 contém uma descrição formal dos conceitos geométricos e topológicos utilizando um esquema conceptual declarado em UML, e representa assim um exemplo de aplicação do conceito de modelo conceptual. A cada classe de objectos considerada no modelo conceptual corresponde um termo e definição no dicionário de dados e respectivo catálogo de entidades.
2.3 Esquema de aplicação do modelo de dados geográficos
2.3.1 Introdução
Descreve-se nesta secção os critérios que pautaram o desenvolvimento do esquema de aplicação do modelo de dados geográficos das categorias de massas de água superficiais (rios, lagos, transição e costeiras) e subterrâneas. De forma a facilitar a comunicação do relatório optou-se por referenciar o esquema de aplicação genericamente como o modelo de dados geográficos (MDG). No esquema de aplicação do MDG são descritas, tal como definidas na LA, as massas de água e os fenómenos hidrográficos e ecológicos com estas relacionadas. O esquema de aplicação diz respeito à estruturação de conjuntos de dados geográficos relacionados com o espaço territorial em que Portugal exerce, como estado soberano, a sua jurisdição.
No MDG proposto foram utilizados elementos com origem nas normas ISO referentes à informação geográfica (colecção 19 100), bem como as normas de enquadramento para a especificação de informação geográfica da directiva INSPIRE, nomeadamente as seguintes:
• Definition of annex theme and scope (D 2.3);
• Generic conceptual model (D 2.5);
• Methodology for the development of data specifications (D 2.6);
• Guidelines for the encoding of spatial data (D 2.7).
Destaca-se, das normas ISO, a aplicação da norma 19 109 – Rules for Application Schema e da norma 19 131 – Data product specifications. O esquema de aplicação contém uma descrição formal da estrutura e do conteúdo dos dados, incluindo:
• A representação dos tipos de entidades (spatial data objects, na denominação sugerida pelas normas INSPIRE);
• Os atributos e os tipos de valores permitidos;
• As restrições ao domínio de valores dos atributos declarados através de enumerações;
• As regras topológicas aplicáveis.
Durante o desenvolvimento do modelo de dados procurou-se garantir a implementação dos sistemas de codificação previstos na implementação da DQA, nomeadamente, os descritos no WFD Guidance
Document n.º. 22 (de Março de 2009), bem como os conceitos e requisitos técnicos subjacentes ao
relato da localização e classificação das entidades geográficas de relevância para a política da água portuguesa, materializada na Lei da Água e respectivos diplomas complementares. Assim, os tipos de elementos considerados no MDG procuram dar cumprimento aos seguintes casos de uso: produção cartográfica, análise espacial e modelação hidrológica e hidráulica, relato (WISE), e de registos dos produtos das tarefas de planeamento de modo a cumprirem inerentemente o propósito de organização da informação na qual se podem basear os instrumentos de planeamento e gestão das águas:
• Para propósitos de produção cartográfica inclui-se a representação geográfica dos objectos físicos naturais e artificiais presentes no mundo real e a sua apresentação (através de simbologia específica) em cartas em suporte de papel;
• Para fins de análise espacial e modelação hidrológica e hidráulica foram considerados tipos de entidades com coerência topológica, como a rede hidrográfica e secções transversais e longitudinais das massas de água representadas;
• Para fins de relato no âmbito das diversas directivas europeias aplicáveis foram incluídos aspectos de classificação do estado das massas de água, bem como considerados os respectivos sistemas de codificação definidos nos documentos técnicos de suporte à implementação da DQA, nomeadamente os que respeitam à operacionalização do WISE.
Com estes objectivos alcançados cumpre-se inerentemente o propósito de organização da informação na qual se podem basear os instrumentos de planeamento e gestão das águas. A identificação e a caracterização dos tipos de entidades geográficas do MDG basearam-se simultaneamente no reconhecimento dos fenómenos reais significativos para a descrição do universo de discurso, bem como em tipos de entidades sem uma expressão física evidente (e.g. programas de medidas, zonas protegidas, elementos de qualidade). De notar que a identificação e caracterização destas últimas resulta sobretudo da interpretação do quadro legal aplicável, nomeadamente, a Lei da Água (58/2005) e a Directiva Quadro da Água (2000/60/CE). Consideram-se assim como exemplo de tipos de entidades geográficas com evidente existência física: as diversas categorias de massas de água superficiais e subterrâneas, as bacias e sub-bacias hidrográficas, as estações de monitorização, as captações de água para consumo humano. Os perímetros de protecção, as zonas inundáveis e a delimitação do domínio público hídrico são exemplos de tipos de entidades geográficas resultantes da interpretação do quadro legal.
Por questões de organização e facilidade de leitura, apresenta-se no corpo do relatório a justificação do esquema de aplicação proposto descrevendo cada um dos diagramas de classes UML, e remetendo para anexos digitais os respectivos dicionário de dados e catálogo de entidades. Estes diagramas de classes estão distribuídos por pacotes UML, que contêm, por sua vez, um ou mais
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 9 diagramas de classes. Cada uma das secções do relatório contém uma explicação detalhada que justifica o desenho dos respectivos diagramas de classes.
Descreve-se para cada diagrama de classes:
• o suporte legal que lhe dá origem;
• as classes que o compõem e as respectivas propriedades (atributos);
• as associações entre classes;
• o suporte a funcionalidades de análise espacial.
A simbologia de apresentação das entidades geográficas foi já descrita em Charneca et al. (2010). As regras topológicas aplicadas aos tipos de entidades geográficas são descritas na secção 4.
Diversas propriedades das classes que contam do MDG possuem um universo de valores bem identificado, pelo que, para esses casos, se optou por definir os domínios de valores admissíveis. Os domínios de valores foram declarados com recurso a enumerações UML e posteriormente afectos a cada um dos atributos a que se aplicavam. A título de exemplo ilustra-se na Figura 1 as enumerações aplicáveis os valores correspondentes à região hidrográfica. Para o caso da ARH do Centro, estes valores restringem-se a 3, 4 e 5, devido a elementos hidrográficos partilhados quer com a região do Douro (RH3), como a barrinha de Esmoriz, quer com a região hidrográfica do Tejo, como é o caso das ribeiras do Oeste em termos de planeamento.
Figura 1. Lista codificada de valores aplicável ao código de região hidrográfica no que respeita à área de jurisdição
2.3.2 Enquadramento
No âmbito do trabalho descrito propõem-se as representações geográficas dos termos mais relevantes e dos conceitos subjacentes ao planeamento e gestão de recursos hídricos superficiais e subterrâneos e dos respectivos ecossistemas dependentes. É de referir que o MDG não se aplica à caracterização específica de rede de abastecimento de água para consumo humano e de redes de águas residuais urbanas. No entanto, pode ser extensível a estes tipos de caracterizações através dos sistemas de códigos identificadores implementados (vide secção 3).
No caso específico das massas de água superficiais existe uma necessidade fundamental que se prende com a representação das massas de água com recurso a uma rede geométrica, em que o escoamento possa ser representado com a devida coerência topológica. Este facto é particularmente
relevante para os estudos de dispersão de poluentes, para a computação de cenários de gestão ou de avaliação do estado físico, químico e ecológico das massas de águas.
O MDG foca-se assim nos seguintes aspectos:
• Definições: descrição dos conceitos subjacentes ao universo de discurso considerado. As
definições das classes de objectos, dos seus atributos e das associações que se estabelecem entre classes são registadas no esquema de aplicação, o que permite a sua incorporação automática no perfil de metadados considerado;
• Hierarquia: descrição da hierarquia e associações de classes por intermédio de uma
linguagem de notação própria. Neste caso, devido à opção tecnológica para a implementação do sistema de informação, utilizaram-se estereótipos UML específicos para a criação de bases de dados geográficos ESRI (Enterprise Geodatabase);
• Redes: massas de águas e outras classes de objectos são partes de uma rede para a qual é
definida uma direcção de escoamento;
• Identificadores: todos os objectos são caracterizados por um identificador único no âmbito
da base de dados a implementar e por códigos textuais universais únicos. São implementados sistemas de codificação próprios que garantem a extensibilidade do MDG a outros modelos de dados específicos, como o das aplicações de dados de monitorização, do licenciamento (GEP3) ou outros modelos de dados específicos;
• Tempo: os objectos possuem uma validade temporal (ciclo de vida) recorrendo a tipos de
dados (data types) da norma ISO 19108. Parte-se do princípio que o GEP determinará os ciclos de vida das entidades geográficas sobre as quais opera sob a filosofia de 1 título de utilização corresponde a uma única geometria vectorial;
• Estruturação de dados: podem ser gerados, a partir do MDG, ficheiros que definem a
estrutura que deve ser seguida na implementação da base de dados geográficos, bem como na partilha de informação, identificados como ficheiros de esquemas XML. Os ficheiros candidatos que transportam dados devem ser validados com os esquemas XML de acordo com o modelo de dados definido;
• Partilha de dados: os esquemas de XML e GML, tal como definidos na norma ISO 19 136:
2007, podem proporcionar a partilha de dados com independência da plataforma computacional.
Dado que o MDG desenvolvido pretende ser um suporte da informação legalmente citada como necessária para o exercício do planeamento e gestão de recursos hídricos, procurou-se que a
3
Gestor electrónico de processos, sistema de informação de suporte à gestão processual dos títulos de utilização de recursos hídricos utilizado pela ARH do Centro I.P.
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 11 totalidade dos termos e conceitos com valor legal (p.ex. bacia hidrográfica ou estado ecológico), fossem representados e caracterizados no MDG incorporando o teor do seu suporte legal. Para os termos e conceitos que houve necessidade de considerar no MDG por questões de coerência e operacionalidade, ou para aqueles que não se encontravam devidamente definidos no âmbito da legislação aplicável, recorreu-se à definição científica mais apropriada, sendo, nesses casos, citadas as devidas referências bibliográficas.
A filosofia seguida da definição do MDG privilegia um número reduzido de elementos (classes, atributos, associações, etc.), em detrimento de um grande número de elementos que materializaria a ambição de descrever exaustivamente o sistema ambiental e de procedimentos administrativos aplicáveis ao planeamento e gestão de recursos hídricos. Tal não invalida, no entanto, que o MDG proposto não possa ser progressivamente desenvolvido para considerar novos conceitos ou aspectos mais complexos do sistema descrito. Cada classe de objectos possui, no MDG, um conjunto mínimo de atributos que se considerou de relevância para implementar as funcionalidades de identificação, caracterização, quantificação e classificação das massas de água, e dos respectivos ecossistemas que por estas são influenciados.
A geometria dos objectos é definida com recurso ao modelo de dados vectorial, considerando três tipos de dados geográficos: ponto, linha, e polígono. A representação de entidades com recurso a redes geométricas topologicamente coerentes é também utilizada. Para a descrição da rede geométrica foi considerado o INSPIRE Generic Conceptual Model (INSPIRE D 2.5), no âmbito do qual se descreve o Generic Network Model (que, por sua vez, se baseia em diversas normas ISO). Esta especificação contempla as noções de nós, arcos, agregação de arcos e áreas. Fornece também os mecanismos básicos para a referenciação linear e pontual, inter-conexões de redes e topologia.
2.3.3 Consistência entre representações no modelo de dados
A produção de conjuntos de dados geográficos com base no MDG é aplicável ao nível regional, podendo estes ser transformados para aplicação a nível nacional, supra-nacional e europeu, já que o MDG é aplicável a todos os níveis de detalhe. No entanto, recomenda-se a sua aplicação a representações entre a escala 1:5 000 e a escala 1:250 000.
Admite-se que possam coexistir representações topográficas baseadas em áreas (normalmente utilizadas em levantamentos a escalas grandes) e representações baseadas num certo nível de generalização. Para qualquer destes níveis de detalhe deve ser mantida quer a consistência lógica, quer a consistência posicional. A consistência lógica relaciona-se com a referência correcta aos identificadores e códigos das entidades geográficas referenciadas. A consistência posicional relaciona-se com a representação de uma mesma entidade geográfica com recurso a mais que uma geometria.
2.3.4 Estruturação do esquema de aplicação
O esquema final de aplicação do modelo de dados geográfico proposto é descrito com base em 26 diagramas de classes UML, agrupados em 17 pacotes UML, aqui referidos por ordem alfabética:
• Águas subterrâneas; • ConstrucoesOcupacoesDH; • Cumprimento legal; • Hidráulica fluvial; • Hidrografia; • ObjectosPGRH; • ObjectosSubterraneas; • ObjectosSuperficiais; • Pressões antropogénicas; • Programas de medidas;
• Programas de monitorização e avaliação do estado das massas de água;
• Rede hidrográfica; • Riscos; • Séries temporais; • Sistema de drenagem; • Unidades de gestão; • Zonas protegidas.
Cada um destes pacotes suporta um ou mais diagramas de classes onde se descrevem diversos aspectos relacionados com as classes que os compõem. De salientar que os aspectos referentes aos sistemas de referência geográfica e temporal, simbologia e relações topológicas não são definidos ao nível dos diagramas de classes UML. Os elementos do MDG que tenham a sua origem em exigências do WISE estão devidamente evidenciados e justificados.
O dicionário de dados e o catálogo de entidades são apresentados em anexo a este relatório, pelo que não se descrevem em profundidade todos os aspectos relativos à estrutura de dados considerada no modelo lógico (esquema de aplicação), tendo-se optado por relatar os conceitos e funcionalidades que as classes suportam.
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 13
2.3.5 Identificação e codificação dos objectos do MDG
A classe base que suporta a identificação e codificação de grande parte das classes presentes no MDG é a classe abstracta ObjectosHidro. Esta classe estabelece os atributos nos quais se baseia a identificação de objectos registados na base de dados. A classe está representada na Figura 2.
Figura 2. Classe de base para identificação, codificação e relacionamento de objectos hidrográficos
O atributo IDHidro, que regista valores do tipo inteiros positivos, é utilizado como identificador único no âmbito de cada repositório de dados geográficos (base de dados geográficos). Isto implica que o mesmo objecto pode possuir distintos valores de IDHidro em distintos repositórios de dados geográficos. No caso de se integrarem os dois conjuntos de dados com o objectivo de formar um único conjunto de dados, os valores do atributo IDHidro devem ser recalculados de forma a que se mantenham únicos no âmbito do conjunto de dados geográficos formado.
O atributo CodHidro regista por sua vez valores textuais onde são registados os códigos públicos nacionais que identificam univocamente cada entidade representada. Pressupõe-se que estes códigos identificadores sejam geridos pela autoridade competente para o planeamento e gestão de recursos hídricos da região hidrográfica referenciada. Os atributos IDHidro e CodHidro constituem assim os atributos base do MDG e são utilizados para suportar um grande número de associações entre classes.
Assim, um elemento, como um curso de água, pode ser representado ou referenciado em várias classes no modelo de dados: como uma massa de água “rios”, uma linha de drenagem, ou mesmo um conjunto de segmentos na rede hidrográfica. Nos casos em que existem entidades que referenciam o mesmo elemento, as referências à sua identificação e codificação devem ser mantidas de forma coerente em todos os registos onde essa referência ocorra. Tanto os diagramas de classes UML do esquema de aplicação, como o catálogo de entidades respectivo, descrevem este tipo de associações e dependência de identificação e codificação.
2.3.6 Simbologia dos diagramas de classes UML
Os estereótipos utilizados na declaração do MDG basearam-se nos diagramas de classes da UML 2.1 que estavam incluídos no perfil ArcInfo UML Model. O Quadro 1 apresenta os elementos gráficos estruturais da UML utilizados.
Quadro 1. Elementos gráficos de estrutura utilizados na UML
Símbolo Nome Descrição
Classe São descrições de grupos de objectos com propriedades
(atributos), comportamentos (operações) e relações comuns
Interface Conjunto de operações e atributos disponibilizados por
uma classe. São classes abstractas que significam instâncias que não podem ser directamente criadas a partir de classes. Elas podem conter operações, mas não podem conter atributos. Classes que podem derivar de interfaces (através da realização de uma associação) e instâncias podem então ser feitas destes diagramas.
Pacote Um pacote (package) é um elemento meramente
organizacional. Permite agregar diferentes elementos de um sistema em grupos,de forma que faça sentido semântica ou estruturalmente.
Os pacotes representam um espaço de nomes (namespace) numa linguagem de programação. Num diagrama eles são usados para representar partes de um sistema que contém um grupo de classes.
Anotação Uma nota consiste num comentário sem qualquer
impacto semântico, já que o seu conteúdo não altera em geral o significado do diagrama no qual ela se encontra. É assim normal e útil incluir notas que descrevam classes, relações ou outros elementos, de forma a facilitar a sua interpretação.
Enumeração Lista simples de valores. Um exemplo de uma
enumeração são os valores admissíveis para um dado atributo. As opções de uma enumeração são chamadas literais de enumeração.
Como os tipos de dados, as enumerações não podem ter associações para classes mas as classes podem relacionar-se com elas.
Lista de códigos
Consiste numa restrição imposta aos valores dos atributos das classes. Os valores ficam restritos à lista de códigos admissíveis.
São utilizados para descrever uma enumeração mais aberta/flexível no sentido em que não são utilizados literais para a identificação do valor
Para além dos elementos gráficos de estrutura, a linguagem UML disponibiliza também elementos gráficos para a declaração dos relacionamentos. O Quadro 2 ilustra as notações gráficas utilizadas na UML para declarar relacionamentos. A UML contempla dois tipos de relações: as associações e as generalizações, sendo que as associações se dividem em agregações e composições.
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 15
Quadro 2. Elementos gráficos de associação utilizados na UML
Símbolo Nome Descrição
Associação Representam as relações existentes entre os objectos das classes. A associação é um tipo de relação entre os objectos, dado que a UML prevê vários tipos de relacionamentos
específicos para captar diferentes realidades.
Dependência É utilizada para modelar um conjunto de associações entre classes.
Agregação A agregação é um caso especial das associações, utilizada quando um objecto consiste numa agregação de um conjunto de outros objectos.
Composição A noção de composição é mais forte do que a de agregação, porque assume que os objectos utilizados para a composição, por si só, não se distinguem dos restantes. Esses objectos apenas podem ser distinguidos no contexto do objecto que compõem. É o caso de as bacias hidrográficas serem compostas por sub-bacias hidrográficas.
Generalização É uma relação que permite representar a noção de pertença ou especificidade de objectos. As classes representam conjuntos de objectos que partilham informação e
comportamentos. No entanto, nesse conjunto de objectos poderão existir subconjuntos que partilhem informação específica, não relevante para os restantes objectos.
Com o objectivo de facilitar a interpretação dos diagramas de classes estabeleceram-se códigos de cores que foram atribuídos às classes UML representadas de acordo com o ilustrado no Quadro 3.
Quadro 3. Cores atribuídas às classes UML do MDG
Tipo de classe Cor atribuída
Classes de gestão de associações N:M ou super-classes de objectos primários (eg. Object, Feature)
Amarelo
Tipo de classe Cor atribuída
Classes geográficas Azul claro
Classes alfanuméricas Branco
Classes de subtipos Lilás
Classes de tipos Roxo
2.4 Pacotes UML
2.4.1 Sistema de drenagem
O pacote UML referente ao sistema de drenagem contém um único diagrama de classes UML que é composto por quatro tipos de entidades geográficas:
1. PontosDrenagem; 2. LinhasDrenagem; 3. BaciasHidrograficas; 4. SubBaciasHidrograficas.
Estas classes são sobretudo utilizadas para armazenar os resultados da análise de modelos digitais de terreno da qual resulta informação diversa: matriz de direcções de escoamento (flow direction), matriz de acumulações de escoamento (flow accumulation), matriz de definição de cursos de água (stream definition), segmentação dos cursos de água (stream segmentation) e delimitação de bacias hidrográficas (watershed delineation).
2.4.1.1 Diagrama de classes Drenagem
Um dos objectivos da determinação do sistema de drenagem é associar as áreas de drenagem com as respectivas linhas de concentração de escoamento (que drenam cada área de drenagem) e com o ponto de descarga respectivo (ponto de concentração). Este é o princípio da relação entre o curso de
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 17 água, a bacia hidrográfica correspondente e o ponto de concentração para onde converge todo o escoamento superficial da área de drenagem. Assim, subdividindo a região em várias unidades elementares de drenagem, pode implementar-se a associação “drenagem da área, por uma linha, concentrado num ponto”, sendo que uma dada bacia hidrográfica (representada por uma área), é drenada por um curso de água (representado por uma linha), que conflui um único local (denominado ponto de descarga e representado por um ponto). O pacote UML respeitante ao sistema de drenagem implementa estes conceitos com recurso ao diagrama de classes apresentado na Figura 3.
Figura 3. Diagrama de Classes UML referente aos elementos de Drenagem
De salientar que as áreas de drenagem consideradas são neste modelo compostas por tipos de entidades geográficas: bacia hidrográfica e sub-bacia hidrográfica. A opção por estas classes representativas dos tipos de entidades de drenagem resultou da expressão legal que lhes é conferida na LA.
Cálculo da matriz de definição das linhas de acumulação de escoamento
No âmbito do sistema de drenagem é necessário calcular a representação matricial referente às linhas de acumulação de escoamento, a qual utiliza a matriz de acumulação de escoamento, sendo que um dos parâmetros do seu cálculo é o valor mínimo de células dos valores de acumulação de escoamento a partir do qual se considera o início de uma linha de drenagem. Assim, a célula que na matriz de acumulação de escoamento apresentar um valor mínimo X, definido como o limite mínimo de intervalo fechado, marcará o ponto de cabeceira da linha de drenagem (célula de cabeceira).
Se se considerar uma área mínima de 5 Km2 de área drenante a partir da qual se inicia uma linha de drenagem, e se a matriz de representação de cotas de terreno apresentar uma resolução espacial horizontal de 25 metros (o que equivale a uma área de 625 m2), então serão necessárias 8.000 células para perfazer 5 Km2. Tal equivale a que a linha de drenagem consideraria, como célula de cabeceira, aquela que registasse na matriz de acumulação de escoamento o valor mínimo de 8000 células drenantes.
A informação registada na matriz de direcções de escoamento determina assim, a partir da célula de cabeceira, para que célula adjacente o escoamento se dirige. O cálculo consecutivo baseado nos parâmetros de área mínima de drenagem e nas matrizes de direcção e acumulação de escoamento dão origem à matriz de definição dos cursos de água, tal como ilustra a Figura 4.
Figura 4. Representação da matriz de direcções de escoamento e respectivas linhas de drenagem.
Na matriz de definição dos cursos de água é atribuído o valor “1” às células que na matriz de acumulação de escoamento possuem um valor superior ao limite definido pelo utilizador. A Figura 5 é composta de duas imagens em que do lado esquerdo se ilustra a matriz de acumulação de escoamento com os respectivos valores de acumulação (número de células drenantes de montante) e do lado direito, a matriz de definição de cursos de água que respeita um valor mínimo de acumulação de 8.000.
Proc. 0602/1/18095, 0607/541/5756 19 Figura 5. Produção da matriz de definição dos cursos de água: a) matriz de acumulação do
escoamento; b) matriz de definição dos cursos de água.
A matriz de definição de cursos de água (no formato matricial) dá, consequentemente, origem às linhas de drenagem, sendo estas geradas através da conversão da matriz de definição de cursos de água, para uma matriz de segmentação dos cursos de água, que atribui a cada linha de drenagem um identificador único. Ao conjunto de células que no formato matricial define um segmento do curso de água é atribuído um identificador único, permitindo assim distinguir cada troço univocamente. A Figura 6 mostra, na imagem da esquerda, a matriz de definição dos cursos de água (com apenas um valor único), e, na imagem da direita, a mesma rede segmentada e colorida de acordo com um identificador único para cada segmento de curso de água. O cálculo da segmentação dos cursos de água utiliza a matriz de direcção de escoamento e a matriz de definição dos cursos de água.
Figura 6. Segmentação da matriz de definição de cursos de água: a) matriz de definição dos cursos de água; b) rede segmentada de acordo com esta matriz
A Figura 7 ilustra a conversão do formato matricial da segmentação dos cursos de água para o formato vectorial que dá origem às linhas de drenagem. No MDG, a matriz de definição de linhas de drenagem está representada matricialmente por células azuis claras, e as respectivas linhas de drenagem representadas a azul-escuro.
Figura 7. Conversão da matriz de segmentação das linhas de drenagem (azul claro) em linhas de drenagem (azul escuro)
Salienta-se que o processamento de geração das matrizes de cotas de terreno gera frequentemente dados hidrologicamente inconsistentes, pelo que é necessário um processo de validação.
Classe de sub-bacias hidrográficas
Dado que as sub-bacias hidrográficas constituem uma classe explicitamente declarada na LA, e prevista no âmbito da implementação dos elementos SIG da DQA e, consequentemente, no WISE, foram consideradas no modelo de dados proposto. O que distingue uma sub-bacia hidrográfica de uma bacia hidrográfica é que a sub-bacia possui o seu ponto de descarga normalmente numa confluência de rios ou num lago, enquanto a bacia tem o seu ponto de descarga numa foz, estuário ou delta, agrupando assim diversas sub-bacias hidrográficas. A classe de sub-bacias hidrográficas está representada na Figura 8.
Figura 8. Estrutura da classe relativa a sub-bacias hidrográficas
A definição das sub-bacias hidrográficas é originada com base na representação matricial da segmentação dos cursos de água, onde se identificam univocamente todas as células pertencentes a cada segmento (troço) da rede hidrográfica. O cálculo das células da representação matricial do terreno que pertencem a cada uma das sub-bacias hidrográficas é executado com base na matriz da
