Introdução aos Sistemas de Informação Geográfica

Transcrição

1 Introdução aos Sistemas de Informação Geográfica Mestrado Profissionalizante 2015 Karla Donato Fook IFMA / DAI Modelagem de Dados Geográficos 2 1

2 O que é um Modelo de Dados? É um conjunto de construtores utilizados para descrever e representar partes do mundo real em um sistema digital de computador Longley et al, O que é um Modelo de Dados? É um conjunto de conceitos que pode ser usado para descrever a estrutura e as operações em um banco de dados Navathe,

3 Modelos de Dados Controlam a forma como os dados são armazenados e têm um impacto significativo nos tipos de operações analíticas que podem ser realizadas Longley et al, Modelos de Dados em SIG No início Se baseavam em extensões do CAD, em gráficos simples e em modelos de dados de imagens Anos 80 e 90 Modelo georrelacional híbrido Última década Modelos de objetos geográficos e baseados em padrões que incluem os elementos dos modelos anteriores 6 3

4 Modelagem de Dados Geográficos Ao se adotar o SIG como ferramenta de tratamento e análise de dados em um projeto, o primeiro passo a ser efetuado é gerar um modelo que represente o objeto de estudo e que seja baseado no objetivo do projeto 7 Modelagem de Dados Geográficos 8 4

5 Modelagem de Dados Geográficos A abstração de conceitos e entidades existentes no mundo real é uma parte importante da criação de sistemas de informação O sucesso de qualquer implementação em computador de um sistema de informação é dependente da qualidade da transposição de entidades do mundo real e suas interações para um banco de dados informatizado 9 Modelagem de Dados Geográficos 10 5

6 Modelagem de Dados Geográficos Objetos e fenômenos reais são complexos demais para permitir uma representação completa, considerando os recursos à disposição dos sistemas gerenciadores de bancos de dados (SGBD) ditos convencionais Foi (é) necessário construir uma abstração dos objetos e fenômenos do mundo real, de modo a se obter uma forma de representação conveniente, embora simplificada, que seja adequada às finalidades das aplicações do banco de dados 11 Modelagem de Dados Geográficos nome CPF cargo seleção, projeção, prod. cartesiano, união, diferença SELECT * FROM empregados WHERE cargo= Programador relação (tabela) álgebra relacional linguagem SQL consultas espaciais, op. booleanas, op. matemáticas? dados geográficos álgebra geográfica linguagem para SIG 12 6

7 Como modelar? 13 Modelagem de Dados Geográficos A orientação a objetos é uma tendência em termos de modelos para representação de aplicações geográficas Oliveira et al.,

8 Modelagem de Dados Geográficos A modelagem orientada a objetos não obriga o armazenamento em um SGBD orientado a objetos, mas visa dar ao usuário maior flexibilidade na modelagem incremental da realidade Câmara et al., Modelagem de Dados Geográficos Fatores envolvidos na modelagem do mundo real Transcrição da informação geográfica em unidades lógicas de dados Forma como as pessoas percebem o espaço Natureza diversificada dos dados geográficos Existência de relações espaciais (topológicas, métricas, de ordem e fuzzy) Coexistência de entidades essenciais ao processamento e entidades cartográficas 16 8

9 Modelos de Dados Geográficos Os modelos de dados semânticos foram desenvolvidos com o objetivo de facilitar o projeto de esquemas de banco de dados provendo abstrações de alto nível para a modelagem de dados, independente do software de banco de dados ou hardware utilizado 17 Modelos de Dados Geográficos Modelo Entidade-Relacionamento (ER) Modelo OMT (Object Modeling Technique) Object-Oriented Analysis Method (OOA) 18 9

10 Modelo Entidade-Relacionamento (ER) Câmara et al., Modelo OMT (Object Modeling Technique) Câmara et al.,

11 Object-Oriented Analysis Method (OOA) Câmara et al., Modelagem de Dados Geográficos Os objetos geográficos se adequam melhor aos modelos orientados a objetos do que aos modelos de dados relacionais Estes últimos não se adequam aos conceitos natos que o homem tem sobre dados espaciais Apesar de toda a expressividade oferecida pelas técnicas tradicionais de modelagem de dados, dificuldades surgem devido ao fato de que Muitas informações geográficas precisam ser consideradas com respeito à localização onde elas são válidas O tempo de observação e A sua precisão de obtenção/representação Câmara et al.,

12 Modelagem de Dados Geográficos Apesar da grande expressividade desses modelos, eles apresentam limitações para a adequada modelagem de aplicações em questão, já que não possuem primitivas geográficas apropriadas para a representação de dados espaciais Modelos de dados para as aplicações geográficas têm necessidades adicionais, tanto com relação à abstração de conceitos e entidades, quanto ao tipo de entidades representáveis e seu inter-relacionamento Borges, Modelo Conceitual de Dados Geográficos Diversas propostas focalizadas em estender os modelos criados para aplicações convencionais GeoOOA (Kösters et al., 1996) MODUL-R (Bédard et al., 1996) GMOD (Oliveira et al., 1997) MGEO+ (Pimentel, 1995) IFO para aplicações geográficas (Worboys et al. 1990) GISER (Shekhar et al., 1997) Geo-OMT (Borges, 1997) 24 12

13 Modelo Conceitual de Dados Geográficos Banco Dados Geográfico part-of is-a Plano de Informação is-a Geo-campo Agrupamento Geo-Objetos is-a is-a is-a is-a Numérico Imagem Sensor Remoto Cadastral Rede 25 Modelo Conceitual de Dados Geográficos As diversas entidades formais são mapeadas para representação gráficas (geométrica) utilizadas no modelo, podendo ser especializadas entre as representações matricial ( raster ) e vetorial Plano Informação is-repres.-in is-a Represen. Matricial Represen. Geométrica is-a Represen. Vetorial 13

14 Modelo Conceitual de Dados Geográficos Notação OMT-G 27 Modelo OMT Object Modeling Technique Método de projeto orientado a objetos Modelo de objetos captura a estrutura estática do Sistema Classes Relacionamentos Operações 28 14

15 Modelo OMT Conceitos Objeto: entidade do mundo real Classe de objetos: representa entidades de mesma característica (atributos, operações) Associações: relacionamento entre objetos Agregação: combinação de outras partes Composição: forma mais forte de agregação, onde a a eliminação do todo propaga-se para as partes, em cascata Generalização: hierarquia entre classes 29 Modelo OMT Notação 15

16 Modelo OMT Cardinalidade UML Unified Modeling Language Objectory Ivar Jacobson Booch Grady Booch OMT Jim Rumbaugh Adotada em 1997 pela OMG (Object Management Group) 32 16

17 UML Diagrama de Classes Descreve as classes do sistema e seus relacionamentos, definindo a estrutura do sistema Classes podem ter Nome Atributos Operações MyClassName +SomePublicAttribute : Type As classe podem mostrar visibilidade e tipos Apenas o nome é obrigatório -SomePrivateAttribute : Type #SomeProtectedAttribute : Type +ClassMethodOne() +ClassMethodTwo() Responsabilidades Podem ser descritas aqui 33 UML Diagrama de Classes Nome da Classe Nome da Classe lista de atributos Nome da Classe lista de operações Nome da Classe lista de atributos lista de operações Possíveis notações para uma classe na UML 34 17

18 UML Diagrama de Classes UML Diagrama de Classes 36 18

19 UML Diagrama de Classes 37 UML Diagrama de Classes Multiplicidade Classe Cliente 1 Recibo Item 1..* 1 Generalização Composição Especialização DVD VHS Cartucho 38 19

20 OMT-G Extensão da OMT (UML) para suportar a modelagem de dados espaciais 39 OMT-G Técnica orientada a objetos voltada para modelagem de aplicações geográficas proposta inicialmente em 1997, para trabalhar elementos no nível de representação Contempla parte das primitivas definidas para o diagrama de classes da Unified Modeling Language (UML) Introduz primitivas geográficas para aumentar a capacidade de representação semântica daquele modelo, reduzindo a distância entre o modelo mental do espaço a ser modelado e o modelo de representação usual Borges,

21 OMT-G Provê primitivas para modelar a geometria e a topologia dos dados geográficos Oferece suporte a estruturas topológicas todo-parte, estruturas de rede, múltiplas representações de objetos e relacionamentos espaciais Borges, Organização do OMT-G 42 Meta Modelo Parcial do Modelo OMT-G Borges,

22 OMT-G 43 Borges, 2001 OMT-G Borges,

23 OMT-G: Geo-Objeto Pictogramas para a classe Geo-Objeto Borges, OMT-G: Geo-Objeto Borges,

24 Elementos do OMT-G Borges, OMT-G: Geo-Campo Classes Geo-Campo Borges,

25 Elementos do OMT-G Borges, Elementos do OMT-G Borges,

26 OMT-G: Relacionamentos Borges, OMT-G: Relacionamentos Relacionamentos Espaciais entre Polígonos Borges,

27 OMT-G: Relacionamentos Borges, OMT-G: Relacionamentos Borges,

28 OMT-G: Exemplo Mostra parcial de uma aplicação de Transporte Coletivo O esquema mostra parte de uma aplicação de transporte coletivo, onde a classe Divisa Municipal estabelece o espaço modelado. A classe Linha de Ônibus se relaciona com a classe Ponto de Ônibus. Cada Ponto de Ônibus é localizado em frente a um endereço de imóvel podendo estar próximo ou dentro de um local de referência da cidade. Pela notação utilizada, fica explícito que a Linha de Ônibus é uma classe convencional, o Ponto de Ônibus e o endereço são classes de Geo-Objetos do tipo Ponto e a Área de Referência é uma Classe de Geo-Objeto do tipo Polígono. A Classe Divisa Municipal é um Geo-Campo do tipo Polígono Adjacente. Borges, OMT-G: Exemplo Borges, 2001 Mostra parcial de uma aplicação de Transporte Coletivo 56 28

29 Outros OMT-G 57 OMT-G: Imagem IMAGEM é representado em Imagem Representação Geométrica é um Representação Matricial é um Conjunto de células de uma matriz 2D com valores inteiros e finitos * Obtida a partir de Sensores Remotos 29

30 OMT-G: Temático Mapas Temáticos é representado em Representação Matricial é um é um Representação Geométrica é um Representação Vetorial é um Imagem Temática Conjunto de células de uma matriz 2D de números inteiros (índices detab. de Cores) * Gerada a partir de mapeamentos de imagens classificadas ou conversão vetor - matriz Temático Mapas vetorias constituídos de Nós 2D, Linhas 2D e Polígonos * Gerados a partir da digitalização de bases existentes, mapeamentos ou conversão matriz - vetor OMT-G: Geocampos Numéricos Modelo Numérico de Terreno é representado em é um Representação Matricial Representação Geométrica é um é um Representação Vetorial é um é um ISOLINHA PONTOS COTADOS GRADE TRIANGULAR é um Conjunto de Linhas 2D com mesmo valor de cota * Altimetria * Curvas de Isovalores magnéticos Conjunto de Pontos com coordenadas 3D (x,y,z) * Pontos Altimetria * Amostras de Solo (geoquímica) Conjunto de Linhas 2D conectadas a Nós 3D * Gerada a partir de Isolinhas e/ ou Pontos Cotados (c/ ou s/ linhas de quebra) GRADE RETANGULAR Conjunto de células de uma matriz 2D * Gerada a partir de Isolinhas e/ ou Pontos Cotados, Grade Triangular ou outra Retangular 30

31 OMT-G: Objeto e Cadastro Geo-objeto é representado em Cadastro Representação Geométrica é um Representação Vetorial é um Mapas vetorias constituídos de Nós 2D, Linhas 2D e Polígonos * Gerados a partir da digitalização de bases existentes, mapeamentos (levantamento topográfico, gps e trena) OMT-G: Geo-Objeto e Redes Mapa de Redes é representado em Redes Representação Geométrica é um Representação Vetorial é um Mapas vetorias constituídos de Nós de rede 2D e Linhas 2D orientadas * Gerados a partir da digitalização de bases existentes, mapeamentos (levantamento topográfico, gps e trena) 31

32 Modelo Conceitual de Dados Geográficos Ferramentas que contemplam a notação OMT-G StarUML Microsoft Visio 63 OMT-G Exemplo 64 32

33 OMT-G: Operação Geográfica - Mapa Cadastral de Quadras apresente quais quadras do eixo central de Brasília tem declividade média entre 2 a 3 graus e estão na classe de baixa aptidão. Dados c/ Atributos não espaciais Dados c/ Limites de Quadras Dados c/ Identificação das Quadras Importação de Dados Importação de Dados Importação de Dados Quadras Atributos - Asa, Populc., etc - Aptidão - Decliv. médio Quadras Mapa Cadastral com Objeto Quadras Operação de Média Zonal sobre objeto Quadras Declividade Grade Retangular c/ valores de Declividade (em % ou graus) (matriz 2D de Num.reais) Aptidão Mapa de Classes de Aptidão ao Uso (matriz 2D de Num. Inteiros) Operador de Maioria Zonal sobre objeto Quadras Modelo Conceitual de Dados Geográficos Notação Geo-Frame 66 33

34 Geo-Frame 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 Lisboa Filho, Geo-Frame Foi desenvolvido para ser genérico o bastante para expressar a ideia de um projeto conceitual parcial para várias aplicações geográficas Foi definido de acordo com as regras do formalismo de orientação a objetos, utilizando a notação gráfica do diagrama de classes da UML Inclui a modelagem dos aspectos espaciais da informação geográfica e a diferenciação ente objetos convencionais e objetos geográficos e campos geográficos Lisboa Filho,

35 Geo-Frame Representa suas classes e relacionamentos de objetos espaciais através de estereótipos Estereótipos permitem estender o uso de um diagrama de classes baseado em notações já existentes para resolver alguma deficiência no modelo de classes Tipos de estereótipos Generalização e Associação Lisboa Filho, Geo-Frame Estereótipo de generalização serve para representar objetos das três principais classes do GeoFrame OBJETOS_NÃO_GEOGRÁFICOS CAMPOS GEOGRÁFICOS OBJETOS GEOGRÁFICOS Estereótipo de associação serve para substituir relacionamentos de objetos representados como fenômenos geográficos, objetos que tenham representação espacial e forma geométrica. Lisboa Filho,

36 Estereótipos do Modelo UML-GeoFrame Lisboa Filho, Estereótipos do Modelo UML-GeoFrame Função categórica - usada para modelagem de campos categóricos Ex.: tipos de solos Lisboa Filho,

37 Geo-Frame Alguns fenômenos geográficos podem apresentar dimensão espacial complexa composta por outros objetos espaciais ex.: uma rede hidrográfica Um mesmo campo geográfico ou objeto geográfico pode ter seu componente espacial abstraído de diferentes formas por mais de um estereótipo Lisboa Filho, Geo-Frame Estereótipos do Modelo UML-GeoFrame Lisboa Filho,

38 Modelo Conceitual de Dados Geográficos Ferramentas que contemplam a notação GEO_Frame ArgoCASEGeo CASEGEO desenvolvido para o Visio Professional 75 CASEGEO Ferramenta CASE em desenvolvimento no Departamento de Informática da Universidade Federal de Viçosa Tem como objetivo dar suporte à modelagem de BDGeo com base no modelo UML-GeoFrame 76 38

39 GeoFrame CASEGEO Paleta gráfica que possui os construtores do modelo UML-GeoFrame Cada classe possui nome atributos (com os respectivos domínios) operações e estereótipos Geo-Frame 77 CASEGEO Relacionamentos Generalização Agregação Composição Associação Podem ser especificados a multiplicidade e o papel que cada classe desempenha no relacionamento As classes podem estar agrupadas de forma a constituírem um determinado tema, o que é modelado pelo construtor Pacote, da linguagem UML 78 39

40 CASEGEO - Construtores 79 CASEGEO - Ajustar atributos e operações Se o número de atributos ou operações não couber no espaço predefinido, pode ser que eles não apareçam na figura Para visualizá-los basta redimensionar o campo clicando no local em destaque 80 40

41 CASEGEO Generalização e Espacialização Para especificar uma generalização de classes, a super-classe fica na extremidade superior (na ponta da seta ) e as subclasses ficam na ponta das linhas (extremidade inferior) 81 CASEGEO Associação, Agregação e Composição Associação Agregação Composição Para inserir um relacionamento de associação, agregação ou composição, arraste o ícone correspondente para a área de desenho Selecione as extremidades da figura e arraste-as até os pontos de conexão (connection point) das classes desejadas 82 41

42 CASEGEO Pacote Para criar um pacote é só arrastá-lo para o local desejado Se já houver um esquema existente no local onde o pacote será inserido, ele se postará atrás do esquema automaticamente 83 Exemplos Geo-Frame 84 42

43 Geo-Frame Exemplo do uso das classes CAMPOGEOGRÁFICO e OBJETOGEOGRÁFICO Lisboa Filho, Geo-Frame Diagrama de Classes no modelo UML-GeoFrame contendo os temas Educação e Meio-Ambiente Lisboa Filho,

44 Geo-Frame Exemplo 87 Geo-Frame Exemplo do uso das classes OBJETONÃOGEOGRÁFICO e FENÔMENOGEOGRÁFICO Lisboa Filho,