BANCO DE DADOS EM SISTEMAS DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS

Transcrição

1 Modelagem espacial e PostGIS BANCO DE DADOS EM SISTEMAS DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS 1 - Paulo Henrique Pisani - Rosanne da Silva Vieira 2011

2 Apresentação Introdução GIS: Definições, Funções, Componentes, Dados Espaciais, Breve histórico, Arquitetura Modelagem Conceitual em GIS: OMT-G SGBDs Espaciais PostGIS Conclusão e Trabalhos Futuros 2

3 Sistemas de informação geográfica (SIG) INTRODUÇÃO 3

4 Introdução Dados espaciais são onipresentes atualmente: Serviços Web (e.g. GoogleMaps); Dispositivos móveis (e.g. GPS). EOS (Earth Observing System) da NASA (National Aeronautics and Space Administration) gera 1 terabyte/dia. 4

5 Introdução Sistemas de informação geográfica (SIG/GIS) Sistema = conjunto de elementos com relação (entrada, processamento, saída); Informação = dados que descrevem um domínio. Sistemas utilizados para coletar, modelar, armazenar e analisar informações geográficas ou relacionadas à geografia; 5

6 Introdução Principais características: Inserir e integrar dados espaciais em uma única base de dados; dados censitários; informações espaciais; imagens de satélite; GPS. 6

7 Introdução Oferecer mecanismos para combinar as várias informações; Possuir ferramental para realizar analises, oferecendo alternativas para o entendimento ocupação utilização do meio físico 7

8 Introdução Importância do SIG Facilidade para trabalhar com grande quantidade de informação; Tempo de resposta em tempo real no apoio à decisão; Maior facilidade para gestão e armazenamento de dados geográficos; Rapidez com que a informação pode ser atualizada. 8

9 Introdução Aplicações SIG Aplicações de SIG Cartográficas Aplicação de Modelagem Aplicações de Digitalizada de Terra Objetos Geográficos Adaptado de [Elmasri & Navathe, 2005] 9

10 Introdução Aplicações SIG Cartográficas Irrigação; Análise de produção de safras; Avaliação da terra; Gerência de facilidades e planejamento; Estudos sobre paisagem; Análise do padrão de tráfego. 10

11 Introdução Aplicações SIG Aplicações de Modelagem Digitalizada de Terra Estudos sobre recursos da ciência terrestre; Avaliação para Engenharia civil e militar; Levantamento sobre o solo; Estudos sobre a poluição do ar e da água; Controle de enchentes; Gerenciamento de recursos hídricos. 11

12 Introdução Aplicações SIG Cartográficas e Aplicações de Modelagem Digitalizada de Terra: Capturados por características: Solo; Densidade; Qualidade do ar. 12

13 Introdução Aplicações SIG Aplicações de Objetos Geográficos Sistema para veículos de navegação; Análise do mercado geográfico; Distribuição e consumo de utilidades; Produtos e serviços de consumo: análise econômica. 13

14 Introdução Aplicações SIG Aplicações de Objetos Geográficos Identificados por domínios físicos: Usina elétrica; Distritos eleitorais; Lotes de propriedades; Pontos de referencias em cidades. 14

15 Definições para SIG DEFINIÇÕES 15

16 Definições de SIG Aronoff (1989), conjunto de procedimentos usados para armazenar e manipular dados geo-referenciados; Burrough (1986), conjunto de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados; Cowen (1998), sistema de suporte à decisão que faz a junção de dados em um ambiente de respostas a problemas; 16

17 Definições de SIG Smithet et al. (1987), banco de dados indexados espacialmente, onde opera um conjunto de procedimentos com respostas a consultas sobre entidades; Silva (2010), os SIGs usam o meio digital, onde são armazenados os dados geo-referenciados e com controle de erro. Contêm funções de análise destes dados que variam de álgebra cumulativa até a não cumulativa. 17

18 Funções do SIG FUNÇÕES 18

19 Funções Funções do SIG Função de input ; Aquisição de dados Função de validação e edição; Função de estruturação e armazenamento de informação; 19

20 Funções Função de análise; Inquirição / seleção Análise de vizinhança Análise de superfície Análise de redes Overlay (sobreposição) Função de output Saídas gráficas 20

21 Funções Deve ser aberto, flexível e estar capacitado a se relacionar com outros sistemas; Manter-se estável, com o mínimo custo quando em operação; Na fase de criação, demanda muito trabalho, devido ao tratamento e centralização das informações; Viabilizar a tomada de decisão, documentar a ação e a intervenção, como resultado desta atitude. 21

22 Componentes do SIG COMPONENTES 22

23 Componentes Hardware: equipamentos para coletar, armazenar, processar e representar os dados. Software: para manipular dados e diversas informações desejadas. Dados/Informação: a partir da realidade para armazenados em sistemas de informação. Pessoas: administradores. Métodos: para o uso do sistema de informação. 23

24 Componentes Relacionamento hierárquico Relacionamento dos componentes de um GIS - Adaptado de [Camara, 1994] 24

25 Componentes Nível mais próximo ao usuário, o sistema é operado e controlado: Interface homem com máquina. Nível intermediário, deve ter mecanismos de processamento de dados espaciais: Entrada e integração, consulta e análise, visualização plotagem. Nível mais interno, armazenamento e recuperação dos dados espaciais e seus atributos: SGBD Espacial. 25

26 Definições e tipos de dados espaciais DADOS ESPACIAIS 26

27 Dados espaciais São elementos definidos por variáveis; Possuem localização no espaço; Estão relacionados a sistemas de coordenadas; Exemplo: Projeção de Mercator: Atributos: tipo de rocha, solo, temperatura, vegetação, etc. 27

28 Dados espaciais Fenômenos do mundo real: Espacial - ocorre a variação de lugar para lugar: declividade, altitude e profundidade do solo. Temporal - acontece com a variação do tempo: densidade demográfica e a ocupação do solo. Temática - incide variações nas mudanças de características. 28

29 Dados espaciais Fenômenos são arquivados como: Dados: Conjunto de valores numéricos. Informação: Conjunto de dados, com determinada aplicação. 29

30 Dados espaciais O SIG lida com informações geo-referenciada que podem ser divididas em: Entidades geográficas; Atributos. 30

31 Dados espaciais Divisão de informações geo-referenciadas [Pinto, 2009] 31

32 Dados espaciais Informação geográfica é organizada em camadas ou níveis de informação, consistindo cada uma em um conjunto selecionado de objetos associados e respectivos atributos. Camadas dados espaciais [Pinto, 2009] 32

33 Dados espaciais O mundo real pode ser representado em forma de: Raster/Imagem; Vetores. Dados espaciais [Pinto, 2009] 33

34 Dados espaciais Modelo Vetorial: Pontos; Linhas; Polígonos. Modelo Raster: São constituídas por números, cada um deles com uma entidade. Modelos dados espaciais [Pinto, 2009] 34

35 Dados espaciais Análise espacial Construção da base de dados e sua geo-codificação Resolve problemas de análise espacial, tais como: Cruzar dois ou mais níveis de polígonos, para gerar uma combinação entre eles; Calcular o caminho mais curto entre dois pontos; Calcular área e/ou volume de superfícies; Permitir visualização das entidades a partir de consultas ao banco de dados que armazenam os atributos. 35

36 Dados espaciais Modelo Vetorial Modelo Raster Estrutura Complexa Simples Topologia Melhor definição Fraca Saídas Gráficas Com qualidade Baixa qualidade Manipulação de dados Fácil Difícil Visualização Rápida Lenta Comparação dos modelos, adaptado de [Pinto, 2009] 36

37 Evolução do SIG BREVE HISTÓRICO 37

38 Breve Histórico A evolução do SIG é dividida em quatro fases: Primeira Fase - década de 60 e de 70 Desenvolveu-se o primeiro sistema: SIG Canadense: capacidade de armazenar e recuperar dados, reclassificar os atributos, mudar a escala de representação e fornecer relatórios. Há poucos dados em máquina e são ações individuais, com contribuições de diversas personalidades; 38

39 Breve Histórico Primeira Fase - década de 60 e de 70 (continuação) Desenvolvimento voltado para o planejamento e modelagem de situações relacionados com o meio urbano: aparecimento das imagens de sensoriamento remoto; produtos derivados do processamento digital de imagens de satélites. 39

40 Breve Histórico Segunda Fase - década de 80 Forte financiamento do estado e diminuição do protagonismo individual; Caracterizada pela realização de várias experiências; Ligação em rede dos periféricos e aplicativos, fez o SIG ter uma poderosa capacitação de produção gráfica, processamento de atributos e análise espaciais. 40

41 Breve Histórico Terceira fase - final dos anos 80 Forte esforço por parte do setor privado e desenvolvimento de bases de dados geográficas em grande escala; Atividade comercial; Começaram as operações em 3D, e surgiram as impressoras de alta resolução. 41

42 Breve Histórico Quarta Fase - atualmente Dados centralizados, acessíveis através de redes de telecomunicações; Preocupação centralizada nos utilizadores. 42

43 Arquitetura do SIG ARQUITETURA 43

44 Arquitetura de um SIG Arquitetura Adaptado de [Camara, 1994] 44

45 Arquitetura de um SIG Interface gráfica com o usuário: Visualização de mapas e atributos associados ao terreno; Manipulação dos dados: com consultas e atualizações. 45

46 Arquitetura de um SIG Entrada e Integração de dados Mapas obtidos através de técnicas de sensoriamento remoto: Técnica que registra características sem contato entre os sensores e os objetos do terreno: sensores em satélites; fotografias aéreas. 46

47 Arquitetura de um SIG Funções de processamento Análise geo-espacial; Processamento digital e de imagens; Modelagem numérica do terreno; Operações sobre redes. 47

48 Arquitetura de um SIG Visualização e plotagem: Componente responsável por apresentações gráficas. Armazenamento e recuperação: Definição, armazenamento e manipulação de dados geográficos. 48

49 Arquitetura de um SIG Arquitetura Dual os atributos convencionais são armazenados em forma de tabela e um sistema separado arquiva e armazena os dados espaciais. Arquitetura Dual Adaptado de [Camara, 1994] 49

50 Arquitetura de um SIG Arquitetura baseada em Campos Longos armazena a representação geométrica dos objetos geográficos; Arquitetura baseada em mecanismos de expansão - baseada em sistemas gerenciadores de banco de dados extensíveis. 50

51 Modelo OMT-G MODELAGEM CONCEITUAL EM GIS: 51

52 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Modelos de dados são classificados de acordo com o nível de abstração empregado. Para aplicações geográficas, são considerados quatro níveis distintos de abstração: Níveis de abstração [Borges et al., 2001] 52

53 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Nível mundo real: fenômenos geográficos reais: rios, ruas, cobertura vegetal, etc. Nível representação conceitual: definidas as classes básicas, contínuas e discretas. 53

54 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Nível de apresentação: oferece ferramentas, para especificar diferentes aspectos visuais que as entidades devem assumir. Nivel de implementação: define padrões, forma de armazenamento e estrutura de dados para implementar: relacionamentos, funções e métodos. 54

55 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Prevê primitivas para modelar a geometria e a topologia dos dados geográficos, oferecendo: Estruturas topológicas toda - parte ; Estruturas de rede; Múltiplas representações de objetos; Relacionamentos espaciais. 55

56 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Permite a especificação de atributos alfanuméricos e métodos associados para cada classe; Os principais pontos do modelo: expressividade gráfica; capacidade de codificação. As anotações textuais são substituídas pelo desenho de relacionamentos explícitos, denotando a dinâmica da interação entre os diversos objetos espaciais e não espaciais. 56

57 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G O modelo OMT-G é baseado em três conceitos principais: Classes; Relacionamentos; Restrições de integridade espaciais. Classes e relacionamentos definem as primitivas básicas usadas para criar esquemas estáticos de aplicação. 57

58 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Propõe o uso de três diagramas diferentes nos processos de desenvolvimento de uma aplicação geográfica: Diagrama de classes; Diagrama de transformação; Diagrama de apresentação. 58

59 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classe Usado para descrever a estrutura e o conteúdo de um banco de dados geográfico; Contém elementos específicos da estrutura de um banco de dados: classes de objetos; relacionamentos. Contém regras e descrições que definem a estrutura dos dados. 59

60 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classes Classe Representam três grandes grupos de dados: Contínuos; Discretos; Não-espaciais. 60

61 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G As classes podem ser: Geo-referenciadas: conjunto de objetos que possuem representação espacial e estão associados a regiões da superfície da terra, representando a visão de campos e de objetos. Convencionais: conjunto de objetos com propriedades, comportamento, relacionamentos, e semântica semelhantes, e que possuem alguma relação com os objetos espaciais, mas que não possuem propriedades geométricas. 61

62 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Classes convencionais são simbolizadas exatamente como na UML; Classes georreferenciadas são simbolizadas no modelo OMT-G de forma semelhante: no canto superior esquerdo retângulo usado para indicar a forma geométrica da representação. Métodos ou operações são especificados na seção inferior do retângulo. 62

63 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Classe Georreferenciada Atributos Operações Nome da Classe Nome da Classe Classe Convencional Nome da Classe Atributos Operações Nome da Classe (a) Representação completa (b) Representação simplificada Classe geo-referenciadas e convencionais [Borges, 2005] 63

64 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Exemplo de representação de forma geométrica Representação de forma geométrica [Borges, 2005] 64

65 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de classes Relacionamento O modelo OMT-G representa três tipos de relacionamentos entre suas classes: Associações simples; Relacionamentos topológicos em rede; Relacionamentos espaciais. A discriminação dos relacionamentos definir explicitamente o tipo de interação que ocorre entre as classes. 65

66 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Associações simples: relacionamentos estruturais entre objetos de classes diferentes, convencionais ou georreferenciadas. Relacionamentos topológicos em rede: permitem que o sistema armazene e mantenha atualizada informações. Relacionamentos espaciais: relações topológicas, métricas e de ordem. 66

67 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Edificação Pertence a Proprietário Edificação Contém Lote (a) Associação Simples (b) Relacionamento Espacial Segmento de Logradouro Rede Viária Cruzamento Rodovia Malha Rodoviária (c) Relacionamento de Rede Arco-Nó (d) Relacionamento de Rede Arco-Arco Relacionamentos [Borges, 2005] 67

68 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classes Cardinalidade Representa o número de instâncias de uma classe que podem estar associadas a instâncias da outra classe; A notação adotada pelo modelo OMT-G é a mesma usada na UML. 68

69 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Nome da Classe 0..* Nome da Classe 1 Zero ou Mais Exatamente Um Nome da Classe 1..* Nome da Classe 0..1 Um ou Mais Zero ou Um Cardinalidade [Borges, 2005] 69

70 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classes: Generalização e Especialização; Generalização - processo de definição de superclasses a partir de subclasses; Especialização - classes mais específicas são detalhadas a partir de genéricas. 70

71 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Um triângulo conecta a superclasse a suas subclasses Propriedade Lote Tipo de Propriedade Ocupação Propriedade Territorial Propriedade predial Lote Edificado Lote Vago Notação UML Generalização espacial Generalização/Especialização - Fonte Borges,

72 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Uma generalização pode ser especificada: Total: um ponto é colocado no ápice do triângulo, denotando a totalidade; Parcial. Também adota a notação para os elementos de restrição predefinidos como disjunto e sobreposto: generalização disjunta o triângulo é em branco; generalização sobreposta o triângulo é preenchido. 72

73 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classes Agregação Associação entre objetos, onde se considera que um deles é formado a partir de outros; A agregação espacial é um caso especial, na qual são explicitados relacionamentos topológicos todo-parte. 73

74 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Agregação pode ocorrer entre: Classes convencionais, entre classes Modelo de dados georreferenciadas ou entre uma classe convencional e uma classe geo-referenciada. Logradouro Trecho Agregação Fonte - Borges

75 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G A notação para agregação espacial Mostra que as quadras são geometricamente equivalentes à união dos lotes contidos nelas. Quadra Lote Agregação Espacial Fonte - Borges

76 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classes Generalização Conceitual Série de transformações que são realizadas sobre a representação da informação espacial; Objetivo: melhorar a legibilidade e aumentar a facilidade de compreensão dos dados por parte do usuário do mapa. 76

77 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de Classe: Restrições de integridades; Existem diversas restrições de integridade que são implícitas às primitivas do modelo ou que podem ser deduzidas a partir da análise dos diagramas. 77

78 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G A identificação de restrições de integridade espacial é importante no projeto para uma aplicação; As principais restrições de integridade, são: Chave; Restrições de domínio; Integridade topológica; Integridade semântica; Integridade definida pelo usuário. 78

79 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Restrições de integridade topológica: regras para geo-campos, relacionamentos espaciais e em rede, agregação espacial; Restrições de integridade semântica: regras associadas a relacionamentos espaciais; 79 Restrições de integridade definidas pelo usuário: modeladas como métodos associados a cada classe.

80 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de transformação Usado para especificar transformações entre classes; Está no nível conceitual de representação; São baseados nas primitivas de classe, conforme definidas para os diagramas de classes. 80

81 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G As classes que estão envolvidas em algum tipo de transformação são conectadas: Por meio de linhas contínuas, com setas que indicam a direção da transformação.; Os operadores de transformação e seus parâmetros, são indicados por meio de texto sobre a linha que indica a transformação. Edificação Pertence a Proprietário Relacionamentos [Borges, 2005] 81

82 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de apresentação Estão reunidos os requisitos definidos pelo usuário quanto às alternativas de apresentação e saída para cada objeto geográfico. 82

83 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G A seção superior indica o nome da classe, o nome da apresentação e a aplicação: Nessa seção pode-se especificar uma faixa de escalas onde a apresentação será usada. A segunda é dividida em duas partes: À esquerda, indica o aspecto visual dos objetos após a transformação; À direita, especificações mais precisas quanto aos atributos gráficos: cor da linha, tipo e espessura de linha, padrão de preenchimento, cor de preenchimento, e nome do símbolo. 83

84 Modelagem Conceitual em GIS: Modelo OMT-G Diagrama de apresentação [Borges, 2005] 84

85 Conceitos básicos, Padronização e PostGIS SGBDS ESPACIAIS 85

86 Armazenamento de Dados Espaciais Duas opções: Mecanismos próprios do GIS (primeiros GIS) Problemas: Dependência de dados; Segurança de dados; Controle de concorrência. SGBDs Espaciais (SDBMS Spatial Database Management System). 86

87 SGBD Espacial Objetivos: Integrar a representação e manipulação dos dados geométricos com dados não geométricos no nível lógico; Armazenar e processar estes dados eficientemente no nível físico. 87

88 SGBD Espacial Requisitos: Representação lógica estendida para suportar dados geométricos; Suporte a funções para dados geométricos na DML; Representação física e acesso eficiente aos dados espaciais. R-Tree, GiST 88

89 SGBD Espacial Extensões espaciais para os SGBDs; Exemplos: PostGIS; Oracle Spatial; IBM BD2 Spatial; SQL Server Spatial. 89

90 PostgreSQL SGBD Objeto-relacional (ORDBMS - Object-relational Database Management System). Baseado no Postgres (Universidade da Califórnia em Berkeley); Baseado no Ingres (um dos primeiros SGBDS). Disponível em (versão atual: 9.0.4): < 90

91 PostGIS Tanto o PostgreSQL quanto o PostGIS são softwares de código-fonte aberto; Pacote que estende o PostgreSQL para suportar: Objetos geográficos; Operações geográficas: Validação de dados; Transformação de coordenadas; Cálculo de distâncias; Etc. Disponível em (versão atual 1.5.2): < 91

92 Padronização PostGIS atende a padrões internacionais OGC (Open GIS Consortium); ISO/IEC SQL/MM: Derivada da OpenGIS Simple Features Specifications for SQL; Funções para dados geográficos: Converter; Comparar; Processar. Maior portabilidade de aplicações. 92

93 Sistema de Referência Espacial SRS (Spatial Reference System) Define: Como os dados geográficos são representados no mapa; Unidade de medida (e.g. graus, metros) utilizada pelo sistema de coordenadas. Identificação por: SRS ID (SRS Identifier) Exemplo: EPSG:4326 (European Petroleum Survey Group) WGS 84: utilizado por diversas aplicações GIS (e.g. GPS). 93

94 Sistemas de Referência Espacial PostGIS: Utiliza SRID (Spatial Reference Identifier), similar ao SRS ID; A instalação básica inclui cerca de 3000 SRSs; Aspecto importante sobre sistemas espaciais: Par ordenado (longitude; latitude) e não (latitude; longitude). 94

95 Objetos Espaciais, Funções básicas, Relacionamento entre Dados Geométricos, Junções Espaciais e Metadados POSTGIS 95

96 Ambiente Máquina Virtual com: MS Windows Server 2003; PostgreSQL 9.0.4; PostGIS (instalado após o PostgreSQL). 96

97 Objetos Espaciais OpenGIS Simple Features Specification Objetos geométricos oferecidos pelo PostGIS [OGS 2010]

98 Objetos Espaciais Objeto base: geometry PostgreSQL possui o tipo geometry, que é diferente do tipo geometry do PostGIS: Tipo geometry do PostgreSQL não segue os padrões do OGC 98 Objetos geométricos oferecidos pelo PostGIS [OGS 2010]

99 Objetos Espaciais Tipos básicos definidos pelo PostGIS: POINT: define um ponto; LINESTRING: conjunto de dois ou mais pontos; POLYGON: define um polígono. 99

100 Objetos Espaciais CREATE TABLE tabela_teste (cod serial NOT NULL PRIMARY KEY); SELECT AddGeometryColumn('public', 'tabela_teste', 'teste_point', 4326, 'POINT', 2); SELECT AddGeometryColumn ('public', 'tabela_teste', 'teste_linestring', 4326, 'LINESTRING', 2); SELECT AddGeometryColumn('public', 'tabela_teste', 'teste_polygon', 4326,'POLYGON', 2); 100

101 Objetos Espaciais INSERT INTO tabela_teste (teste_point, teste_linestring, teste_polygon) VALUES (ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326), ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1, 1 2)', 4326), ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326)); 101

102 Objetos Espaciais INSERT INTO tabela_teste (teste_point, teste_linestring, teste_polygon) VALUES (ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326), ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1, 1 2)', 4326), ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326)); 102

103 Objetos Espaciais Representação: WKT (Well-known Text) Função: ST_GeomFromText(<wkt>, <srid>) Exemplo: ST_GeomFromText( POINT( ), 4326) WKB (Well-known Binary) Função: ST_GeomFromWKB(<wkb>, <srid>) Exemplo: ST_GeomFromWKB( E F D2E6CCD564253C0A93121E , 4326); 103

104 Objetos Espaciais Coleções de geometrias: MULTIPOINTS; MULTILINESTRINGS; MULTIPOLYGONS; Além destes, há suporte a todos os objetos dos OpenGIS Simple Features Specification; Dados 3D: suporte limitado. 104

105 Funções do PostGIS Podem ser agrupadas em: Construtores; Exportação; Acesso e modificação de propriedades dos objetos espaciais; Decomposição; Composição; Medição; Simplificação; Além destes grupos, é importante destacar as funções de relacionamento entre dados geométricos. 105

106 Funções do PostGIS Construtores Criam dados espaciais a partir de WKTs e WKBs; Exemplos: ST_GeomFromText(<wkt>, <srid>) ST_GeomFromWKB(<wkb>, <srid>) 106

107 Funções do PostGIS Exportação Utilizadas para exportar os dados armazenados para diversos formatos: WKT, WKB, GeoJSON (Geometry JavaScript Notation), GML e SVG (Scalable Vector Graphics); Exemplo: Próximos slides 107

108 Funções do PostGIS Exportação KML (Keyhole Markup Language) Formato baseado em XML; Ganhou popularidade após ter sido incorporado pelo Google: Google Maps; Google Earth. Formato reconhecido pelo OGC; ST_AsKML 108

109 Funções do PostGIS ST_AsKML(ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326)); <Point> <coordinates>0,0</coordinates> </Point> 109

110 Funções do PostGIS select ST_AsKML(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326)); 110

111 Funções do PostGIS 111 <Polygon> <outerboundaryis> <LinearRing> <coordinates>0,0 0,1 1,1 1,0 0,0</coordinates> </LinearRing> </outerboundaryis> <innerboundaryis> <LinearRing> <coordinates>0.25, , , , ,0.25 </coordinates> </LinearRing> </innerboundaryis> </Polygon>

112 Funções do PostGIS Exportação GML (Geography Markup Language) Formato baseado em XML; Padrão de transporte do OGC; Geralmente utilizado por WFSs (Web Features Services). ST_AsGML 112

113 Funções do PostGIS select ST_AsGML(ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326)); <gml:point srsname="epsg:4326"> <gml:coordinates>0,0</gml:coordinates> </gml:point> 113

114 Funções do PostGIS select ST_AsGML(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326)); 114

115 Funções do PostGIS 115 <gml:polygon srsname="epsg:4326"> <gml:outerboundaryis> <gml:linearring> <gml:coordinates>0,0 0,1 1,1 1,0 0,0</gml:coordinates> </gml:linearring> </gml:outerboundaryis> <gml:innerboundaryis> <gml:linearring> <gml:coordinates>0.25, , , , ,0.25</gml:coordinates> </gml:linearring> </gml:innerboundaryis> </gml:polygon>

116 Funções do PostGIS Exportação GeoJSON (Geometry JavaScript Object Notation) Formato baseado no JSON; Utilizado por aplicações Ajax (compatível com JavaScript); ST_AsGeoJSON 116

117 Funções do PostGIS select ST_AsGeoJSON(ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326)) "{"type":"point","coordinates":[0,0]}" 117

118 Funções do PostGIS select ST_AsGeoJSON(ST_GeomFromText('POLYGON(( 0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326)); {"type":"polygon","coordinates":[[[0,0],[0, 1],[1,1],[1,0],[0,0]],[[0.25,0.25],[0.25,0. 75],[0.75,0.75],[0.75,0.25],[0.25,0.25]]]} 118

119 Funções do PostGIS Acesso e modificação de propriedades dos objetos espaciais: ST_GeometryType; GeometryType. 119

120 Funções do PostGIS select GeometryType(geom), ST_GeometryType(geom) from (VALUES(ST_GeomFromText('POINT(0 0)', 4326))) As temp(geom) geometrytype POINT st_geometrytype ST_Point select GeometryType(geom), ST_GeometryType(geom) from (VALUES(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326))) As temp(geom) 120 geometrytype POLYGON st_geometrytype ST_Polygon

121 Funções do PostGIS Composição Juntam dados espaciais para formar outro dado espacial. Decomposição Extraem dados espaciais a partir de um único dado espacial. Exemplo: ST_X ST_Y ST_Centroid 121

122 Funções do PostGIS select ST_X(ST_GeomFromText('POINT(12 34)', 4326)), ST_Y(ST_GeomFromText('POINT(12 34)', 4326)); st_x st_y select ST_AsText(ST_Centroid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326))) as centroid; centroid POINT( ) 122

123 Funções do PostGIS Medição Operações de medição escalar de dados espaciais (e.g. medir a distância entre dois pontos); Exemplo: ST_Length (comprimento 2D) ST_Length3D (comprimento 3D) ST_Area (área) 123

124 Funções do PostGIS SELECT ST_Length(ST_GeomFromText('LINESTRING( 0 0, 1 1)')) as Comprimento2D, ST_Length3D(ST_GeomFromText('LINESTRIN G(0 0 0, 1 1 1)')) as Comprimento3D; Comprimento2D Comprimento3D

125 Funções do PostGIS SELECT ST_Area(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326)); ST_Area

126 Funções do PostGIS Medição: outras funções ST_Distance (distância em linha reta) Linha reta no plano cartesiano. ST_Distance_Sphere (distância esférica) Considera que o planeta Terra tem a forma esférica e raio igual a m. ST_Distance_Spheroid Considera que o planeta não é uma esfera perfeita. A escolha é feita pelo Projetista de acordo com os requisitos da aplicação em questão. 126

127 Funções do PostGIS Simplificação Diminui a resolução de um dado geométricos (remove pontos e arredonda coordenadas); Otimiza o processamento quando não é necessário utilizar o dado espacial em resolução total; Exemplos: ST_SnapToGrid ST_SimplifyPreserveTopology 127

128 Relacionamento entre Dados Geométricos Funções que consideram mais de um dado geométrico Podem retornar t, f ou outro dado geométrico. Exemplos: ST_Contains/ST_Within ST_Intersects/ST_Disjoint ST_Intersection 128

129 Relacionamento entre Dados Geométricos select ST_Contains( ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326), ST_GeomFromText('POLYGON(( , , , , ))', 4326) ); 129 st_contains f

130 Relacionamento entre Dados Geométricos select ST_Contains( ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0))', 4326), ST_GeomFromText('POLYGON(( , , , , ))', 4326) ); 130 st_contains t

131 Relacionamento entre Dados Geométricos select ST_Intersects( ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326), ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 0.5, , 0.5 0, 0 0))', 4326) ); 131 st_intersects t

132 Relacionamento entre Dados Geométricos select ST_AsText(ST_Intersection( ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0), ( , , , , ))', 4326), ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 0 0.5, , 0.5 0, 0 0))', 4326) )) as intersection; 132 intersection "POLYGON((0 0,0 0.5, , , ,0.5 0,0 0))"

133 Junção com Funções Geométricas Operações JOIN utilizando funções geométricas; Pode haver combinação de dados geométricos com dados não-geométricos. Exemplo 1: A empresa AlienZ deseja saber o volume de vendas do disco voador Z11 na área SP. 133

134 Junção com Funções Geométricas Tabela areas: CREATE TABLE areas (nome varchar PRIMARY KEY); SELECT AddGeometryColumn('public', 'areas', 'area', -1, 'POLYGON', 2); Tabela vendas: CREATE TABLE vendas (cod serial PRIMARY KEY, produto varchar, qtd int); SELECT AddGeometryColumn('public', 'vendas', 'local', -1, 'POINT', 2); 134

135 Junção com Funções Geométricas Dados da tabela areas nome area RT POLYGON((0 0, 0 2, 4 2, 4 0, 0 0)) SP POLYGON((0 1, 1 2, 2 2, 3 1, 4 1, 3 0, 2 0, 1 1, 0 1)) y y 1 1 (0,0) 2 3 x (0,0) 2 3 x 135

136 Junção com Funções Geométricas Dados da tabela vendas cod produto qtd local 1 Z11 1 POINT( ) 2 Z11 2 POINT( ) 3 Z11 10 POINT( ) 4 Z11 1 POINT( ) 5 Z11 1 POINT( ) y 6 Z11 2 POINT( ) 7 Z11 1 POINT( ) 8 Z11 1 POINT( ) 1 9 Z11 1 POINT( ) 10 Z11 5 POINT( ) (0,0) x 136

137 Junção com Funções Geométricas Consulta: select sum(qtd) as volume_vendas from vendas JOIN areas ON ST_Contains(areas.area, vendas.local) where areas.nome = 'SP' volume_vendas

138 Junção com Funções Geométricas Consulta: Função agregada SUM select sum(qtd) as volume_vendas from vendas JOIN areas ON ST_Contains(areas.area, vendas.local) where areas.nome = 'SP' JOIN utilizando a função ST_Contains do PostGIS Somente a área SP 138

139 Junção com Funções Geométricas cod produto qtd local 1 Z11 1 POINT( ) 2 Z11 2 POINT( ) 3 Z11 10 POINT( ) 4 Z11 1 POINT( ) 5 Z11 1 POINT( ) 6 Z11 2 POINT( ) Registros utilizados para a soma 7 Z11 1 POINT( ) 8 Z11 1 POINT( ) 9 Z11 1 POINT( ) y 10 Z11 5 POINT( ) (0,0) x

140 Junção com Funções Geométricas Exemplo 2: Algum tempo depois, a empresa AlienZ precisa saber o volume de vendas do disco voador Z11 por sub-área em SP (dividindo a área total em sub-áreas, conforme mostrado abaixo). y (0,0) x

141 Junção com Funções Geométricas Geração de retângulos ST_MakeBox2D(<ponto1>, <ponto2>) <Ponto2> <Ponto1> 141

142 Junção com Funções Geométricas Geração de retângulos select St_AsText(CAST(ST_MakeBox2d(ST_Point(0, 0), ST_Point(1, 2)) As geometry)); POLYGON((0 0,0 2,1 2,1 0,0 0)) 142

143 Junção com Funções Geométricas Geração de sequências (PostgreSQL) Função: generate_series(<início>, <limite>, <passo>) Exemplo: select generate_series(0,8,2); generate_series

144 Junção com Funções Geométricas Geração do conjunto de retângulos: SELECT x ' ' y as nome_retangulo, ST_AsText(CAST( ST_MakeBox2d( ST_Point(0 + x, 0 + y), ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry)) as area_retangulo FROM generate_series(0, 3, 1) as x CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y; 144

145 Junção com Funções Geométricas Geração do conjunto de retângulos: nome_retangulo area_retangulo 0 0 POLYGON((0 0,0 1,1 1,1 0,0 0)) 0 1 POLYGON((0 1,0 2,1 2,1 1,0 1)) 1 0 POLYGON((1 0,1 1,2 1,2 0,1 0)) 1 1 POLYGON((1 1,1 2,2 2,2 1,1 1)) 2 0 POLYGON((2 0,2 1,3 1,3 0,2 0)) 2 1 POLYGON((2 1,2 2,3 2,3 1,2 1)) 3 0 POLYGON((3 0,3 1,4 1,4 0,3 0)) 3 1 POLYGON((3 1,3 2,4 2,4 1,3 1)) 145

146 Junção com Funções Geométricas Geração do conjunto de retângulos: Concatenação de string Converte para geometry Gera retângulo SELECT x ' ' y as nome_retangulo, ST_AsText(CAST( ST_MakeBox2d( ST_Point(0 + x, 0 + y), ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry)) as area_retangulo FROM generate_series(0, 3, 1) as x CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y; 146 Combina as duas séries numéricas

147 Junção com Funções Geométricas Geração das subáreas: select nome_retangulo as nome_area, ST_AsText(ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area)) as subarea from areas2 A CROSS JOIN (select x ' ' y as nome_retangulo, CAST(ST_MakeBox2d( ST_Point(0 + x, 0 + y), ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry) as area_retangulo from generate_series(0, 3, 1) as x CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y) as R where A.nome = 'SP' 147

148 Junção com Funções Geométricas Geração das subáreas: nome_area subarea 0 0 LINESTRING(0 1,1 1) 0 1 POLYGON((1 2,1 1,0 1,1 2)) 1 0 POLYGON((1 1,2 1,2 0,1 1)) 1 1 POLYGON((1 1,1 2,2 2,2 1,1 1)) 2 0 POLYGON((2 0,2 1,3 1,3 0,2 0)) 2 1 POLYGON((2 1,2 2,3 1,2 1)) 3 0 POLYGON((3 0,3 1,4 1,3 0)) 3 1 LINESTRING(4 1,3 1) y (0,0) x

149 Junção com Funções Geométricas Geração das subáreas Retorna a intersecção das áreas Combina com todas as subáreas select nome_retangulo as nome_area, ST_AsText(ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area)) as subarea from areas A CROSS JOIN (select x ' ' y as nome_retangulo, CAST(ST_MakeBox2d( ST_Point(0 + x, 0 + y), ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry) as area_retangulo from generate_series(0, 3, 1) as x CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y) as R where A.nome = 'SP' 149 Somente a área SP Geração do conjunto de retângulos

150 Junção com Funções Geométricas Consulta (volume de vendas por subárea) select nome_area as nome_subarea, sum(v.qtd) as qtd from 150 (select nome_retangulo as nome_area, ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area) as subarea from areas A CROSS JOIN (select x ' ' y as nome_retangulo, CAST(ST_MakeBox2d( ST_Point(0 + x, 0 + y), ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry) as area_retangulo from generate_series(0, 3, 1) as x CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y) as R where A.nome = 'SP') as S LEFT JOIN vendas as V ON ST_Within(V.local, S.subarea) group by nome_subarea order by nome_subarea

151 Junção com Funções Geométricas Consulta (volume de vendas por subárea) nome_subarea qtd y (0,0) x

152 Junção com Funções Geométricas Consulta (volume de vendas por subárea) select nome_area as nome_subarea, sum(v.qtd) as qtd from 152 (select nome_retangulo as nome_area, ST_Intersection(R.area_retangulo, A.area) as subarea from areas A CROSS JOIN (select x ' ' y as nome_retangulo, CAST(ST_MakeBox2d( ST_Point(0 + x, 0 + y), ST_Point(0 + x + 1, 0 + y + 1)) as geometry) as area_retangulo from generate_series(0, 3, 1) as x CROSS JOIN generate_series(0, 1, 1) as y) as R where A.nome = 'SP') as S LEFT JOIN vendas as V ON ST_Within(V.local, S.subarea) group by nome_subarea order by nome_subarea

153 Metadados no PostGIS Database: template_postgis Tabelas: geometry_columns: informações sobre as colunas espaciais; spatial_ref_sys: sistemas de referência espacial. 153

154 Metadados no PostGIS geometry_columns f_table_catalog f_table_schema f_table_name f_geometry_column coord_dimension srid type spatial_ref_sys srid auth_name auth_srid srtext proj4text Exemplo: 154 f_table_schema f_table_name f_geometry _column coord_dimension srid type public areas area 2-1 POLYGON public vendas local 2-1 POINT

155 Banco de Dados em GIS CONCLUSÃO 155

156 Conclusão GIS Onipresença dos dados espaciais: serviços Web, dispositivos móveis Armazenamento e processamento de dados espaciais tornou-se fundamental 156 Modelo Conceitual OMT-G Representação SGBDs Representação e Manipulação de dados espaciais PostgreSQL com PostGIS

157 Conclusão PostgreSQL com PostGIS Objetos Espaciais Funções Espaciais POINT, POLYGON, etc. Exportação, Medição, etc. Relacionamento entre dados Espaciais Junção com Funções Espaciais Padronização OGC ISO/IEC SQL/MM 157

158 Trabalhos Futuros Trabalhos Futuros SOLAP OLAP Espacial Pré-processa sobreposições entre os dados espaciais Indexação de dados espaciais MR-Tree (combinação de R-Tree com Grid Index) Melhor suporte a dados 3D Técnicas para: - Dados subterrâneos - Integração com modelos topológicos 158

159 Artigo recomendado Breunig, M. & Zlatanova, S. (2011). 3D geo-database research: Retrospective and future directions. In: Computer & Geosciences. Elsevier. 159

160 Eventos específicos International Conference on Geoinformatics: < cedefault.aspx?id=61> FOSS4G Free and Open Source Software for Geospatial: < 160

161 Referências Borges, K. A.V., Davis Jr. C. A., Laender, A. H. F. (2005). Modelagem Conceitual de dados geográficos. Breunig, M. & Zlatanova, S. (2011). 3D geo-database research: Retrospective and future directions. In: Computer & Geosciences. Elsevier. Camara, G. (1994). Análise de Arquiteturas para Banco de Dados Geográficos Orientados a Objetos. Tese para Título de Doutor, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Câmara, G. (1995). Modelos, linguagens e arquiteturas para bancos de dados geográficos. Tese (Doutorado). INPE Camara G., Casanova, M., Hemerly, A., Magalhães, G., Medeiros, C. (1996). Anatomia de Sistemas de Informação Geográfica. Instituto de Computação, UNICAMP. Elmasri, R. & Navathe, S., B. (2005). Sistemas de Banco de Dados, Pearson, 4ª edição. Gómez, L., Haesevoets, S., Kuijpers, B., Vaisman, A. A. (2009). Spatial aggregation: Data model and implementation. In: Information Systems, Elsevier. 161

162 Referências Liu, G., Zhu, Q., He, Z., Zhang, Y., Wu, C., Li, X., Weng, Z. (2009). 3D GIS database model for efficient management of large scale underground spatial data. In: th International Conference on Geoinformatics, 1-5. IEEE. Obe, O. R. & Hsu, L. S. (2011). PostGIs in Action, Manning Publications. OGC. (2010). OpenGIS Implementation Standard for Geographic information - Simple feature access - Part 2: SQL option, version 1.2.1, Open Geospatial Consortium Inc. Pinto, I. (2009). Introdução aos Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Instituto de Investigação Cientifica Tropical. Ribeiro, G., Ferreira, K. Q. R. (2006). Tutorial sobre Bancos de Dados Geográficos GeoBrasil. Instituto Nacional de pesquisas espaciais. Soares, A. O. P. (2004). Sistemas municipais de informação geográfica. TFC Universidade de Évora. 162

163 Referências Souza, I. C. A. (2003). Utilização de Sistemas de Informação Geográfica na Análise Espacial de Dados de Saúde Pública na Paraíba entre os anos de 1998 e 2001; Thomé, R. (1998). Interoperabilidade em Geoprocessamento: conversão entre modelos conceituais de sistemas de informação Geográfica e Comparação com o Padrão Open GIS. Dissertação de mestrado em Computação Aplicada. INPE. Rigaux, P., Scholl, M., Voisard, A. (2002). Spatial Databases - With Application to GIS, Elsevier. Silberchatz, A., Korth, H. F., Sudarshan, S. (2006). Sistema de Banco de Dados, Elsevier, 5ª edição. Silva, A. B. (2010). Sistemas de Informações Geo-referenciadas, Editora Unicamp. Stolze, K. (2003). SQL/MM Spatial - The Standard to Manage Spatial Data in a Relational Database System. In: 2003 Conference on Database Systems in Business, Technology and Web - BTW (in German). Wu, X. & Zang, C. (2009). A New Spatial Index Structure for GIS Data. In: 2009 Third International Conference on Multimedia and Ubiquitous Engineering., IEEE. 163