Introdução a Sistemas de Informações Geográficas com Ênfase em Banco de Dados

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1 Introdução a Sistemas de Informações Geográficas Jugurta Lisboa Filho z Cirano Iochpe Apostila editada nos seguintes eventos: 10ª Escuela de Ciencias Informáticas, Departamento de Computación, Universidad de Buenos Aires, Argentina, 22 a 27 de julho de XV JAI - Jornada de Atualização em Informática, XVI Congresso da SBC, Recife-PE, 4 a 9 de agosto de 1996.

2 Introdução a Sistemas de Informações Geográficas Jugurta Lisboa Filho 1,2 Cirano Iochpe 2 (jugurta@dpi.ufv.br) (iochpe@inf.ufrgs.br) 1 Universidade Federal de Viçosa Departamento de Informática Av. Peter H. Rolfs, s/n Viçosa - MG 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Informática Av. Bento Gonçalves, Bl Porto Alegre - RS

3 Conteúdo LISTA DE FIGURAS... iii INTRODUÇÃO CONCEITOS BÁSICOS EM GEOPROCESSAMENTO Disciplinas e Tecnologias Envolvidas Principais Áreas de Aplicação Ocupação Humana Uso da Terra Uso de Recursos Naturais Meio Ambiente Atividades Econômicas DADOS GEORREFERENCIADOS Mapas e Conceitos de Cartografia Natureza dos Dados Geográficos Fontes de Dados Métodos para Aquisição de Dados Qualidade dos Dados ARMAZENAMENTO DE DADOS EM SIG Conceitos Básicos em BD Geográficos Identidade Entidade Objeto Tipo de Entidade Tipo de Objeto Espacial Classe de Objeto Atributo Valor de Atributo Camada (layer) Modelos de Dados para SIG Objetos Espaciais Ponto Linha Polígono Representação de Superfícies Contínuas Tipos de Relacionamentos entre Objetos Espaciais...19 i

4 3.5 Armazenando Topologia em Banco de Dados Modelos de Representação de Dados Espaciais Modelo Matricial (ou Raster) Técnica Run-Length Encoding Quadtrees Modelo Vetorial Estrutura de Dados para Armazenar Pontos Estrutura de Dados para Armazenar Linhas Estrutura de Dados para Armazenar Polígonos Comparação entre os Modelos Matricial &Vetorial ANÁLISE DE DADOS ESPACIAIS EM SIG Classificação de Funções de Análise Funções de Manutenção e Análise de Dados Espaciais Transformações de Formato Transformações Geométricas Transformações entre Projeções Geométricas Casamento de Bordas Edição de Elementos Gráficos Redução de Coordenadas Manutenção e Análise de Atributos Descritivos Edição de Atributos Descritivos Consulta a Atributos Descritivos Análise Integrada de Dados Espaciais e Descritivos Funções de Recuperação/Classificação e Medidas Funções de Sobreposição de Camadas (overlay) Funções de Vizinhança Funções de Conectividade Formatação de Saída Anotações em Mapas Posicionamento de Rótulos Padrões de Textura e Estilos de Linhas Símbolos Gráficos Um Exemplo de Análise Espacial...42 BIBLIOGRAFIA...46 ii

5 Lista de Figuras Figura Aspectos tecnológicos de SIG [ANT 91]...4 Figura Conjunto de temas sobre uma mesma região espacial [RAM 94]...7 Figura Tipos básicos de objetos espaciais [NCG 90]...13 Figura Modelos de dados na visão de campo...15 Figura Tabela de atributos descritivos contendo dados espaciais...16 Figura Entidades de uma rede elétrica...17 Figura Distribuição espacial de áreas...18 Figura Distribuição espacial com "buracos" ou "ilhas"...18 Figura Elevações em projeção tridimensional...19 Figura Processo de construir topologia...22 Figura Estrutura de dados com topologia...23 Figura Exemplo de representação matricial e vetorial...24 Figura Técnica run-length encoding [ARO 89]...26 Figura Exemplo de estrutura quadtree [SAM 89]...27 Figura Estrutura de dados para rede [NCG 90]...29 Figura Representação em grafos não-direcionados [LAU 92]...30 Figura Relacionamento de polígonos adjacentes [NCG 90]...31 Figura Comparação entre os formatos matricial e vetorial...32 Figura Classificação de funções de análise [ARO 89]...34 Figura Exemplo de operação de redução de coordenadas...36 Figura Operação de generealização...37 Figura Operações de sobreposição de camadas...38 Figura Exemplo de operação de interpolação...40 Figura Exemplo de zonas de buffer...41 Figura Exemplo de BD Geográfico...43 Figura Passo 1 - Selecionar espécies de Pinus...43 Figura Passo 2 - Selecionar solos bem drenados...44 Figura Passos 3 e 4 - Identificar áreas longe de lago...44 iii

6 Introdução Sistema de Informação Geográfica (SIG) é um "conjunto de programas, equipamentos, metodologias, dados e pessoas (usuário), perfeitamente integrados, de forma a tornar possível a coleta, o armazenamento, o processamento e a análise de dados georreferenciados, bem como a produção de informação derivada de sua aplicação" [TEI 95]. A utilização dos SIGs vem crescendo rapidamente em todo o mundo, uma vez que possibilita um melhor gerenciamento de informações e consequente melhoria nos processos de tomada de decisões em áreas de grande complexidade como planejamento municipal, estadual e federal, proteção ambiental, redes de utilidade pública, etc. As tecnologias empregadas nos SIGs compreendem diversos ramos da Ciência da Computação, como, Computação Grafica, Banco de Dados, Inteligência Artificial e Engenharia de Software. Porém, atualmente a maioria dos cursos de graduação em informática ou ciência da computação não oferecem disciplinas onde os alunos possam ter a oportunidade de utilizar ou mesmo conhecer os conceitos empregados nos SIGs. O objetivo deste mini-curso, é dar uma visão geral sobre o que são os SIGs, com um enfoque voltado aos aspectos de gerenciamento e manipulação de dados espaciais. A apostila está organizada da seguinte forma. O primeiro capítulo apresenta os principais conceitos relacionados com a área de Geoprocessamento e, mais especificamente, os conceitos relacionados com SIG. O segundo capítulo aborda os diversos tipos de dados manipulados em SIG e descreve os principais problemas relacionados com a aquisição desses dados. O terceiro capítulo trata do armazenamento dos dados geográficos, descrevendo os diferentes modelos de dados e estruturas de armazenamento utilizados nos SIG. O quarto e último capítulo, é dedicado à utilização dos SIG, onde são descritas as principais funções de análise espacial disponíveis e é apresentado um exemplo ilustrativo de análise espacial. 1

7 1 Conceitos Básicos em Geoprocessamento Sistemas de Informações Geográficas (SIG) são sistemas computacionais capazes de capturar, armazenar, consultar, manipular, analisar e imprimir dados referenciados espacialmente em relação a superfície da Terra [MAG 91]. Diversas definições são encontradas na literatura, umas mais genéricas, como esta e outras mais específicas, incluindo detalhes das aplicações ou tecnologias empregadas. A seguir, são listadas algumas definições encontradas em [NCG 90]. "Um SIG é uma forma particular de Sistema de Informação aplicado a dados geográficos". "Um SIG manipula dados referenciados geograficamente assim como dados não-espaciais e inclui operações para suportar análises espaciais". "Um SIG pode ser visto como um sistema de hardware, software e procedimentos projetados para suportar captura, gerenciamento, manipulação, análise, modelagem e consulta de dados referenciados espacialmente, para solução de problemas de planejamento e gerenciamento". Existem outros sistemas que também manipulam dados espaciais (ex. Sistemas de CAD). Porém, os SIG se caracterizam por permitir ao usuário, a realização de complexas operações de análise sobre os dados espaciais. Uma das vantagens dos SIG é que eles podem manipular dados gráficos e nãográficos de forma integrada, provendo uma forma consistente para análise e consulta envolvendo dados geográficos. Pode-se permitir, por exemplo, acesso a registros de imóveis a partir de sua localização geográfica. Além disso, podem fazer conexões entre diferentes entidades, baseados no conceito de proximidade geográfica. Normalmente, os SIG são desenvolvidos de forma integrada, ou suportados por um SGBD - Sistema Gerenciador de Banco de Dados [ESR 91]. Os dados gerenciados pelos SIG podem ser classificados em três categorias principais: dados convencionais, dados espaciais e dados pictórios [OOI 90]. Estas estruturas de dados possibilitam o armazenamento de informações sobre a localização geográfica, características estruturais, geométricas e topológicas de entidades pertencentes a um determinado domínio. Pesquisas na área dos SIG tiveram início na década de 60, variando em terminologia de acordo com a área de aplicação a que se destinavam. Termos como Land Information System (LIS), Automated Mapping/Facilities Management (AM/FM), 2

8 Computer-Aided Drafting and Design (CADD), Multipurpose Cadastre e outros, foram usados para identificar sistemas, em diferentes áreas da atividade humana, que têm como característica comum, o tratamento de informações geográficas, ou seja, informações com atributos associados a uma localização determinada dentro de um sistema de coordenadas. O gerenciamento de informações geográficas teve sua origem na metade do século XVIII, quando, a partir do desenvolvimento da cartografia, foram produzidos os primeiros mapas com precisão. Os SIG começaram a ser pesquisados paralelamente, e de forma independente, em diversos países como EUA, Canadá e Inglaterra. Desde a década de 60, a tecnologia de SIG tem sido utilizada em diferentes setores como agricultura, exploração de petróleo, controle de recursos naturais, sócio-econômicos e controle do uso da terra [ANT 91]. Os primeiros SIG eram dirigidos, principalmente, para o processamento de atributos de dados e análises geográficas, mas possuíam capacidades gráficas rudimentares. A partir das décadas de 70 e 80, o aumento na capacidade de processamento dos computadores, aliado à redução dos custos de memória e hardware em geral, influenciaram substancialmente o desenvolvimento dos SIG. Também o desenvolvimento de dispositivos de alta tecnologia, como monitores de vídeo coloridos e "plotters" a jato de tinta, contribuíram para disseminar o uso da tecnologia. Os primeiros sistemas comerciais começaram a surgir no início da década de 80, o sistema ARC/INFO da Environment Systems Research Institute (ESRI) foi um dos primeiros. A integração com a tecnologia de gerenciamento de banco de dados foi outro marco importante no desenvolvimento desses sistemas [ESR 91]. 1.1 Disciplinas e Tecnologias Envolvidas O termo Geoprocessamento tem sido usado para caracterizar uma área multidisciplinar, que envolve conhecimentos de diferentes disciplinas, como por exemplo, Geografia, Cartografia, Ciência da Computação, Sensoriamento Remoto, Fotogrametria, Levantamento de Campo, Geodésia, Estatística, Pesquisas Operacionais, Matemática, Engenharia, etc. Sistema de Geoprocessamento classifica os sistemas computacionais capazes de capturar, processar e gerenciar dados georreferenciados, isto é, objetos com atributos contendo informações sobre sua localização geográfica em relação a um sistema de coordenadas. Como exemplos de sistemas de Geoprocessamento podemos citar: Sistemas de Cartografia Automatizada (CAC), Sistemas de Processamento de Imagens, Sistemas de CAD e, principalmente, os SIG. Banco de Dados Espaciais é o nome atribuído aos sistemas gerenciadores de banco de dados, capazes de gerenciar dados com representação geométrica. São utilizados em diversas áreas não só as ligadas a Geoprocessamento, como também nas áreas de Medicina, Astronomia, Engenharia, etc [MED 94]. 3

9 O termo Banco de Dados Geográficos caracteriza os sistemas de Bancos de Dados Espaciais utilizados em aplicações de Geoprocessamento, ou seja, são uma especialização dos sistemas de Banco de Dados Espaciais [CAM 94]. O termo Geomatics, usado no Canadá, é um termo "guarda-chuva" que engloba assuntos relacionados a cadastro, levantamento, mapeamento, sensoriamento remoto e SIG [BEA 95]. Segundo [GEO 95], "Geomatics é o campo de atividades que, utilizando uma abordagem sistêmica, integra todos os meios empregados na aquisição e gerenciamento de dados espaciais usados em aplicações científicas, administrativas, legais e técnicas, envolvidas no processo de produção e gerenciamento de informação espacial". No Brasil, o termo equivalente para Geomatics seria Geoprocessamento, que também engloba diversas disciplinas relacionadas a dados referenciados geograficamente. Segundo [ANT 91], os SIG constituem-se na integração de três aspectos distintos da tecnologia computacional (Figura 1.1): Sistemas de Gerenciamento de Banco de Dados (dados gráficos e não gráficos); Procedimentos para obtenção, manipulação, exibição e impressão de dados com representação gráfica; e Algoritmos e técnicas para análise de dados espaciais. Gerenciamento de Banco de Dados Capacidades Gráficas SIG Ferramentas para Análise Espacial Figura Aspectos tecnológicos de SIG [ANT 91] Dentro da área de Computação participam ainda, diversos outros domínios, como por exemplo, Processamento de Imagens, Computação Gráfica, Algoritmos, Interface com Usuário, Inteligência Artificial, Sistemas Distribuídos e Engenharia de Software. 1.2 Principais Áreas de Aplicação O universo de problemas onde os SIG podem atuar com contribuições substanciais é muito vasto. Atualmente, estes sistemas têm sido utilizados principalmente em órgãos públicos nos níveis federal, estadual e municipal, em institutos de pesquisa, empresas de prestação de serviço de utilidade pública (ex. companhias de água, luz e telefone), na área de segurança militar (ex.: Projeto SIVAM) e em diversos tipos de empresas privadas. A seguir listamos diversas áreas de aplicação, classificadas em cinco grupos principais, segundo [RAM 94]. 4

10 1.2.1 Ocupação Humana Planejamento e Gerenciamento Urbano - Redes de infra-estrutura como água, luz, telecomunicações, gás e esgoto, Planejamento e supervisão de limpeza urbana, Cadastramento territorial urbano e Mapeamento eleitoral; Saúde e Educação - Rede hospitalar, Rede de ensino, Saneamento básico e Controle epidemiológico; Transporte - Supervisão de malhas viárias, Roteamento de veículos, Controle de tráfego e Sistema de informações turísticas; e Segurança - Supervisão do espaço aéreo, marítimo e terrestre, Controle de tráfego aéreo, Sistemas de cartografia náutica, Serviços de atendimentos emergenciais Uso da Terra Planejamento agropecuário; Estocagem e escoamento da produção agrícola; Classificação de solos e vegetação; Gerenciamento de bacias hidrográficas; Planejamento de barragens; Cadastramento de propriedades rurais; Levantamento topográfico e planimétricos; e Mapeamento do uso da terra Uso de Recursos Naturais Controle do extrativismo vegetal e mineral; Classificação de poços petrolíferos; Planejamento de gasodutos e oleodutos; Distribuição de energia elétrica; Identificação de mananciais; e Gerenciamento costeiro e marítimo Meio Ambiente Controle de queimadas; Estudos de modificações climáticas; Acompanhamento de emissão e ação de poluentes; e Gerenciamento florestal de desmatamento e reflorestamento Atividades Econômicas Planejamento de marketing; Pesquisas sócio-econômicas; Distribuição de produtos e serviços; Transporte de matéria-prima e insumos. 5

11 2 Dados Georreferenciados Dados georreferenciados (ou geo-espaciais) é o nome atribuído às informações manipuladas pelas aplicações de Geoprocessamento. Conforme dito anteriormente, estes dados recebem esta denominação por possuírem atributos relacionados a sua localização geográfica, dentro de um sistema de coordenadas. Devido às características das aplicações de Geoprocessamento, a obtenção dos dados é feita, em sua maioria, a partir de fontes brutas de dados, ou seja, as aplicações tratam com entidades ou objetos físicos distribuídos geograficamente, como por exemplo, rios, montanhas, ruas, lotes, etc. Isto torna o processo de obtenção de dados uma das tarefas mais difíceis e importantes no desenvolvimento destes sistemas. Um SIG pode ser alimentado por informações de diversas fontes, empregando tecnologias como digitalização de mapas, aerofotogrametria, sensoriamento remoto, levantamento de campo, etc [ROD 90]. Nas seções seguintes, estão descritos diversos conceitos relacionados com os dados georreferenciados, que são normalmente empregados em SIG. Inicialmente são apresentados os conceitos herdados da Cartografia, seguindo-se uma caracterização dos tipos de dados georreferenciados. Uma descrição das principais fontes de dados e dos métodos de aquisição empregados é dada a seguir e por último são descritos os problemas relacionados com as imprecisões dos dados, decorrentes dos processos de aquisição e representação. 2.1 Mapas e Conceitos de Cartografia Segundo [OLI 93], a palavra mapa, que é de origem cartaginesa, significava "toalha de mesa". Os antigos comerciantes e navegadores, definiam suas rotas de viajem desenhando diretamente sobre as toalhas (mappas), dando origem ao termo. Tradicionalmente, os mapas têm sido as principais fontes de dados para os SIG. Um mapa é uma representação, em escala e sobre uma superfície plana, de uma seleção de características abstratas sobre ou em relação à superfície da terra [NCG 90]. A confecção de um mapa requer, entre outras coisas, a seleção das características a serem incluídas no mapa, a classificação dessas características em grupos, a simplificação para representação, a ampliação de certas características para que possam ser representadas e a escolha de símbolos para representar as diferentes classes. Mapas topográficos têm sido tradicionalmente elaborados com o objetivo de atender a uma infinidade de propósitos, enquanto que os mapas "temáticos" são 6

12 elaborados com objetivos mais específicos por conter informações sobre um único tipo de objeto, por exemplo, para representar a hidrografia de uma região, estradas de rodagem, tipos de solos, etc [BUR 86]. Em um SIG, a idéia de mapas "temáticos" é utilizada através do conceito de camadas, onde, para uma mesma região podem ser criadas diversas camadas de dados, uma para cada tema a ser representado (Figura 2.1). Isto facilita a realização de operações de análise. Por exemplo, os SIG fornecem ferramentas de análise que são capazes de obter resultados para consultas do tipo: "Identifique todas as áreas com um determinado tipo de solo e que estejam acima de uma determinada altitude", o que seria feito a partir da combinação de dois mapas temáticos, um sobre tipos de solos e outro sobre altimetria. solo distritamento político-administrativo zoneamento R.2 R.1 propriedades planimetria controle topográfico infraestrutura controle geodésico Figura Conjunto de temas sobre uma mesma região espacial [RAM 94] Dois conceitos importantes, relacionados com a construção de mapas, que são a escala e a projeção utilizadas, precisam ser bem compreendidos. A escala de um mapa é a razão entre as distâncias no mapa e suas correspondentes distâncias no mundo real. Por exemplo, em um mapa de escala 1:50.000, um centímetro no mapa corresponde a cm (ou 500m) na superfície terrestre. Uma escala grande, como a de 1: (1cm no mapa corresponde a 100m), é suficiente para representar o traçado urbano de ruas em uma cidade. Porém, é insuficiente caso a aplicação necessite manipular informações a nível de lotes urbanos. Já em uma escala pequena, tipo 1: (1cm no mapa corresponde a 2,5Km), somente grandes feições/fenômenos geográficos podem ser representados, como por exemplo, tipos de solos, limites municipais, rodovias, etc. 7

13 A superfície curva da terra, tem que ser representada em mapas, que normalmente são confeccionados sobre uma folha de papel (superfície plana), o que inevitavelmente ocasiona distorções. Projeção é um método matemático, através do qual, a superfície curva da terra é representada sobre uma superfície plana. Existem diferentes tipos de projeções utilizadas na confecção de mapas, estas projeções atendem a objetivos distintos, podendo preservar a área (projeção equivalente) das características representadas, a forma das características (projeção conformal) ou mesmo a distância (projeção eqüidistante) entre pontos no mapa [NCG 90]. Mapas podem ser usados para diferentes propósitos, sendo que os mais comuns são: para exibição e armazenamento de dados (ex.: uma folha de mapa comum pode conter milhares de informações que podem ser recuperadas visualmente); como índices espaciais (ex.: cada área delimitada em um mapa pode estar associada a um conjunto de informações em um manual separado); como ferramenta de análise de dados (ex.: comparar a localizar áreas de terras improdutivas); ou mesmo como objeto decorativo (ex.: mapas topográficos, mapas temáticos, mapas turísticos, etc, são muitas vezes usados para decorar ambientes em repartições, escolas, etc). Sistemas de Cartografia Computadorizada ("AM-Automated Mapping") têm como meta principal a confecção de mapas, utilizando-se ferramentas sofisticadas para criação de "layouts", posicionamento de rótulos, uso de bibliotecas de símbolos, etc. Porém, estes sistemas diferem dos SIG porque não precisam armazenar os dados de forma a permitir operações de análise. 2.2 Natureza dos Dados Geográficos Segundo Aronoff [ARO 89], os dados georreferenciados possuem quatro componentes principais, que armazenam informações sobre o que é a entidade, onde ela está localizada, qual o relacionamento com outras entidades e em que momento ou período de tempo a entidade é válida. São eles: 1) Atributos qualitativos e quantitativos - armazenam as características das entidades mapeadas, podendo ser representados por tipos de dados alfanuméricos. Estes atributos possuem aspectos não-gráficos e podem ser tratados pelos SGBDs convencionais. 2) Atributos de localização geográfica - diz respeito à geometria dos objetos e envolve conceitos de métrica, sistemas de coordenadas, distância entre pontos, medidas de ângulos, posicionamento geodésico, etc. 3) Relacionamento topológico - representam as relações de vizinhança espacial interna e externa dos objetos. Este aspecto requer a existência de modelos e métodos de acesso não-convencionais para sua representação nos SGBDs. 4) Componente tempo - diz respeito à características temporais, sazonais ou periódicas dos objetos. Segundo [NEW 92], o aspecto temporal em SGBD, pode incluir três tipos de medida de tempo: instante de tempo, intervalo de 8

14 tempo e relacionamentos envolvendo o tempo, como noções de antes, depois, durante, etc. Dentro de um SIG, estes componentes podem ser classificados em três categorias de dados [OOI 90]. São elas: dados convencionais - atributos alfanuméricos usados para descrever os objetos (ex.: nome e população de uma cidade); dados espaciais - descrevem a geometria, a localização e os relacionamentos topológicos dos objetos geográficos; e dados pictórios - atributos que armazenam imagens (ex.: fotografia de uma cidade). 2.3 Fontes de Dados A obtenção de dados em aplicações de Geoprocessamento é um processo bem mais complexo quando comparado com a maioria das aplicações convencionais [ARO 89]. Isto se deve ao fato da entrada de dados não se limitar a simples operações de inserção. As dificuldades surgem por duas razões: primeiro por se tratar de informações gráficas, o que naturalmente já é uma tarefa mais complexa do que a entrada de dados alfanuméricos, embora os SIG também manipulem dados alfanuméricos. A segunda razão, e principal, é devido a natureza das fontes de dados dessas aplicações. As fontes de dados variam de acordo com o tipo de aplicação. Como exemplo, podemos pensar nas seguintes aplicações: Sistema de suporte a uma companhia de distribuição de água, onde as entidades a serem representadas são canos, válvulas e conexões de diversos tipos; Sistema de roteamento intermunicipal de veículos, que manipula estruturas de rede, onde os nós representam as cidades e as ligações representam possíveis caminhos entre duas cidades; ou um Sistema de gerenciamento marítimo da costa brasileira, para o qual torna-se necessário o armazenamento dos mapas de toda a costa brasileira, provavelmente em uma escala muito menor do que nas demais aplicações. Como se pode notar, algumas vezes os dados precisam ser obtidos diretamente da realidade (fontes brutas), uma vez que nem sempre existe um mapa pronto, na escala apropriada. Os dados manipulados em um SIG, podem ser entidades ou fenômenos geográficos distribuídos sobre a superfície da terra, podendo pertencer a sistemas naturais ou criados pelo homem, tais como tipos de solos, vegetação, cidades, propriedades rurais ou urbanas, redes de telefonia, escolas, hospitais, fluxo de veículos, aspectos climáticos, etc. Podem ser também objetos resultantes de projetos envolvendo entidades que ainda não existam, como por exemplo, o planejamento de uma barragem para a construção de uma usina hidroelétrica [RAM 94]. Os processos de coleta de dados são baseados em tecnologias tipo fotogrametria, sensoriamento remoto e levantamento de campo, ou seja, os mesmos já empregados há muito tempo em diversas áreas da Geociências e da Engenharia. Com isto, os produtos resultantes desses processos de coleta de dados é que são as verdadeiras fontes de dados dos SIG [ROD 90]. Os SIG possuem dispositivos de interface que permitem que esses resultados sejam transferidos para um meio de armazenamento digital. 9

15 Até hoje, os mapas têm sido as principais fontes de dados para SIG, e o levantamento de campo, o principal processo de coleta de dados. Porém, em um futuro próximo, a aerofotogrametria e o sensoriamento remoto devem tornar-se cada vez mais utilizados como tecnologia de coleta de dados geo-espaciais [ANT 91]. O problema da entrada de dados em SIG, é muito importante porque é a partir destes dados que as análises são executadas e, consequentemente, as decisões são tomadas. A transferência dos dados do meio externo (fontes brutas) para o meio interno (representação digital) é apenas um passo no processo de aquisição dos dados. Muitas operações posteriores são geralmente realizadas como, por exemplo, a associação entre os objetos gráficos e seus atributos não-gráficos, operações para corrigir e padronizar os dados com relação a projeções, escalas, sistemas de coordenadas, etc. 2.4 Métodos para Aquisição de Dados Os métodos mais utilizados na aquisição de dados são: a digitalização manual; a leitura ótica através de dispositivos de varredura tipo "scanner"; a digitação via teclado; e a leitura de dados provenientes de outras fontes de armazenamento secundário (ex. fitas magnéticas, discos óticos, teleprocessamento, etc) [ARO 89]. Estes métodos permitem a transferência dos dados obtidos através dos mecanismos de captura tipo levantamento de campo, sensoriamento remoto, imagens de satélites, etc, para a base de dados dos SIG. A digitalização é o método no qual uma folha de papel contendo um mapa é colocada sobre uma mesa digitalizadora e, através de um dispositivo de apontamento (ex. caneta ótica) um operador vai assinalando diversos pontos, que são calculados e interpretados como pares de coordenadas x e y. Normalmente, no início do processo de digitalização, três ou mais pontos de coordenadas conhecidas são cadastrados no sistema para serem utilizados como pontos de referência no cálculo das coordenadas dos pontos digitalizados [PAR 94]. A eficiência do processo depende da qualidade do software de digitalização e da experiência do operador. Além da digitalização de pontos, outras tarefas também são realizadas, como por exemplo, o ajuste de nós, a construção de topologia, a identificação de objetos, etc. Digitalização é uma tarefa muito cansativa, normalmente consome muito tempo e podem ocorrer erros. Por isso, os softwares de digitalização fornecem mecanismos que auxiliam o operador a identificar e corrigir os possíveis erros introduzidos. O método de leitura ótica através de dispositivos de varredura ("scanner"), permite a criação de imagens digitais a partir da movimentação de um detector eletrônico sobre um mapa. É um processo bem mais rápido que a digitalização, mas não é adequado a todos os tipos de situações. Para ser lido por um "scanner", um mapa precisa apresentar algumas características que vão permitir a geração de imagens de boa qualidade. Por exemplo, alguns textos podem ser lidos acidentalmente como se fossem entidades, linhas de contorno podem ser quebradas por textos ou símbolos do mapa, etc [NCG 90]. 10

16 A digitação via teclado é usada para a inserção dos atributos não-gráficos. Informações provenientes de levantamento de campo normalmente são inseridas no banco de dados via teclado. Outro meio, que começa a ser bastante usado atualmente, é o emprego do GPS ("Global Positioning Systems"), um sistema de posicionamento geodésico, baseado em uma rede de satélites. Este sistema possibilita a realização de levantamentos de campo, com alto grau de acurácia (ver seção seguinte) e com o registro dos dados podendo ser realizado diretamente em meio digital. Segundo [ARO 91], o custo inicial de construção da base de dados de um SIG, normalmente é maior que o custo total de investimentos realizados na aquisição dos componentes de hardware e de software. Para diminuir estes custos, a tendência atual tem sido o compartilhamento de dados geo-espaciais, já disponíveis em meio digital. Diversos padrões de armazenamento de dados têm sido adotados para possibilitar a troca desse tipo de informação. Algumas empresas se especializaram em produzir e comercializar dados para SIG. 2.5 Qualidade dos Dados Dados com erros podem surgir nos SIG, mas precisam ser identificados e tratados. Os erros podem ser introduzidos no banco de dados de diversas formas: serem decorrentes de erros nas fontes originais, serem adicionados durante os processos de obtenção e armazenamento, serem gerados durante a exibição ou impressão dos dados ou surgirem a partir de resultados equivocados em operações de análise dos dados [BUR 86]. Acurácia pode ser definida como a estimativa dos valores serem verdadeiros, ou como a probabilidade de uma predição estar correta. Sempre existe, em algum grau, um erro associado com todas as informações espaciais. O objetivo quando se trata de identificar erros nem sempre é o de eliminá-los, mas sim de gerenciá-los [ARO 89]. Embora todos os dados espaciais sejam representados com erro em algum grau, eles geralmente são representados computacionalmente com alta precisão. Precisão é definida como o número de casas decimais ou dígitos significativos em uma medida. Se um objeto espacial possui atributos de posicionamento com vários dígitos significativos não implica que esta informação seja acurada [NCG 90]. A acurácia dos dados é crucial para que os usuários confiem no sistema. Dados com erros significativos podem afetar os resultados de análises por diversos anos, antes de serem descobertos [GRU 92]. A qualidade dos dados pode ser medida a partir da análise dos seguintes componentes: acurácia posicional, acurácia dos atributos, consistência lógica (relacionamentos topológicos), resolução da imagem, completude de informações, fator tempo e histórico do processo de obtenção dos dados [ARO 89]. 11

17 3 Armazenamento de Dados em SIG Os SIG precisam armazenar grandes quantidades de dados e torná-los disponíveis para operações de consulta e análise. Os Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados (SBGD) são ferramentas fundamentais para os SIG, embora muitos ainda utilizem sistemas de arquivos para fazer o gerenciamento dos dados. Isto dificulta por exemplo, o intercâmbio de dados e ainda obriga os usuários a conhecerem as estruturas internas de armazenamento de dados [FRA 88]. Muitas pesquisas têm sido realizadas por parte da comunidade de banco de dados, sob o tema de banco de dados espaciais, com o objetivo de buscar soluções adequadas para o problema de gerenciamento de dados georreferenciados [MED 94]. Atualmente, a arquitetura mais empregada na construção dos SIG é a que utiliza um sistema dual, onde o SIG é composto de um SGBD relacional, responsável pela gerência dos atributos não-gráficos, acoplado a um componente de software, responsável pelo gerenciamento dos atributos espaciais [CAM 96]. Neste capítulo são apresentados diversos tópicos relacionados com o emprego de SGBDs em SIG. Na seção 1 são apresentadas algumas definições padrão, conforme o proposto pelo US National Digital Cartographic Standart. Em seguida são identificados os principais modelos de dados usados em SIG. Uma caracterização dos tipos de objetos espaciais manipulados pelos SIG é feita na seção 3 e uma relação dos tipos de relacionamentos existentes entre os objetos espaciais é descrita na seção 4. A seção 5 caracteriza as diferenças entre banco de dados cartográfico e banco de dados topológico e, por último, são apresentados na seção 6 os modelos de representação matricial e vetorial. 3.1 Conceitos Básicos em BD Geográficos O conjunto de definições a seguir, faz parte de um trabalho de padronização de termos, que foi proposto pelo US National Digital Cartografic Standart. Estas definições foram extraídas de [NCG 90]. Nesta apostila, procurou-se empregar os conceitos de acordo com estas definições Identidade Elementos da realidade modelados em um banco de dados geográfico têm duas identidades: o elemento na realidade, denominado entidade e o elemento representado no banco de dados, denominado objeto. Uma terceira identidade usada em aplicações 12

18 cartográficas é o símbolo usado para representar entidades/objetos como uma feição no mapa Entidade É qualquer fenômeno geográfico da natureza, ou resultante da ação direta do humem, que é de interesse para o domínio específico da aplicação Objeto É a representação digital de uma entidade, ou parte dela. A representação digital varia de acordo com a escala utilizada (ex.: um aeroporto pode ser representado por um ponto ou uma área, dependendo da escala em uso) Tipo de Entidade É a descrição de um agrupamento de entidades similares, que podem ser representadas por objetos armazenados de maneira uniforme (ex: o conjunto das estradas de uma região). Fornece uma estrutura conceitual para a descrição dos fenômenos Tipo de Objeto Espacial Cada tipo de entidade em um Banco de Dados Espacial é representado de acordo com um tipo de objeto espacial apropriado. A Figura 3.1 mostra os tipos básicos de objetos espaciais, definidos pelo US National Digital Cartografic Standart e classificados segundo suas dimensões espaciais: dimensão tipo descrição 0D ponto Um objeto com posição no espaço, mas sem comprimento 1D linha Um objeto tendo comprimento. Composto de 2 ou mais objetos 0D 2D área Um objeto com comprimento e largura. Limitado por pelo menos 3 objetos 1D 3D volume Um objeto de comprimento, largura e altura. Limitado por pelo menos 4 objetos 2D Figura Tipos básicos de objetos espaciais [NCG 90] Classe de Objeto Descreve um conjunto de objetos que representa um conjunto de entidades. Por exemplo, o conjunto de pontos que representam um conjunto postes de uma rede elétrica ou o conjunto de polígonos representando lotes urbanos Atributo Descreve as características das entidades, normalmente de forma não-espacial. Exemplos são o nome da cidade, diâmetro de um duto, etc. 13

19 3.1.8 Valor de Atributo Valor quantitativo ou qualitativo associado ao atributo. (ex.: nome da cidade = 'Recefe', diâmetro do duto = 1 ½") Camada (layer) Os objetos espaciais em um BD Geográfico podem ser agrupados e dispostos em camadas. Normalmente, uma camada contém um único tipo de entidade ou um grupo de entidades conceitualmente relacionadas a um tema (ex.: uma camada pode representar somente as rodovias de uma região, ou pode representar também as ferrovias). 3.2 Modelos de Dados para SIG Um Banco de Dados Geográfico é uma coleção de dados referenciados espacialmente, que funciona como um modelo da realidade. Um banco de dados é um modelo da realidade por representar um conjunto selecionado de fenômenos da realidade, que podem estar associados a diferentes períodos de tempo (passado, presente ou futuro) [BAR 91]. Modelagem de dados geográficos é o processo de discretização que converte uma realidade geográfica complexa em um conjunto finito de registros ou objetos de um banco de dados [WOR 95]. Os modelos de dados existentes para SIG estão relacionados com as diferentes formas de percepção da realidade que podem ser empregadas. Para Goodchild [GOO 90], estes modelos de dados podem ser divididos segundo duas visões: visão de campo e visão de objetos. Na visão de campo, a realidade é modelada por variáveis que possuem uma distribuição contínua no espaço, como por exemplo, temperatura, tipo de solo ou relevo. Todas as posições no espaço geográfico estão associadas a algum valor correspondente à variável representada. Os objetos definidos com uso do modelo são, na verdade, abstrações que representam fenômenos que acontecem na realidade (ex.: temperatura, pressão, umidade). Por outro lado, na visão de objetos, entidades reais são observadas como estando distribuídas sobre um grande espaço vazio, onde nem todas as posições estão preenchidas e, além disso, mais de uma entidade pode estar situada sobre uma mesma posição geográfica. Goodchild [GOO92], identifica seis tipos diferentes de modelos de dados baseados na visão de campo, que são usados em SIG (Figura 3.2), são eles: a) Amostragem Irregular de Pontos - o banco de dados contém um conjunto de tuplas <x,y,z> representando valores coletados em um conjunto finito de localizações irregularmente espaçadas. (ex.: estações de medição de temperatura) b) Linhas de Contorno - o banco de dados contém um conjunto de linhas, cada uma com um valor z associado. (ex.: curvas de nível) 14

20 c) Polígonos - A área é particionada em um conjunto de regiões, onde a cada região está associado um valor que é único em todas as suas posições. (ex.: tipos de solos). d) Amostragem Regular de Pontos - Como no item a, porém, com pontos distribuídos regularmente. (ex.: Modelos Numéricos de Terreno) e) Grade Regular de Células - A área é dividida em uma grade regular de células, onde o valor da cada célula corresponde ao valor da variável para todas as posições dentro da célula. (ex.: imagens de satélites) f) Grade Triangular - a área é particionada em triângulos irregulares. O valor da variável é definido em cada vértice do triângulo e varia linearmente sobre o triângulo. (ex.: TIN - Triangulated Irregular Network) a) Amostragem Irregular de Pontos d) Amostragem Regular de Pontos célula b) Linhas de Contorno e)grade Regular de Células c) Polígonos f) Grade Triangular Figura Modelos de dados na visão de campo Cada um desses modelos pode ser representado em um BD Geográfico como um conjunto de pontos, linhas, áreas ou células. Esses modelos, geralmente são confundidos, equivocadamente, com os modelos de representação de dados espaciais, matricial e vetorial (seção 3.6). Cada um deles pode ser mapeado em uma ou outra, daquelas representações, sendo que alguns modelos se adequam melhor a uma ou a outra. Por exemplo, os modelos Amostragem Regular de Pontos e Grade Regular de Células, são mapeados naturalmente para a representação matricial, enquanto que os demais modelos são melhor representados numa estrutura vetorial [GOO 91]. No Modelo de Objetos, os objetos são representados como pontos, linhas ou áreas. Dois objetos podem estar localizados na mesma posição geográfica, ou seja, podem possuir coordenadas idênticas. Muitas implementações não fazem distinção no banco de dados, entre modelos de objetos e de campos. Por exemplo, um conjunto de linhas pode representar contornos (modelo de campos) ou estradas (modelo de objetos), 15

21 embora as implicações das interseções sejam muito diferentes nos dois casos. O modelo de objetos é mais adequado para aplicações sócio-econômicas, que tratam com entidades criadas pelo homem (ex. rede de transporte, cadastro municipal, escolas, etc), enquanto que os modelos de campo são mais adequados para aplicações ambientais. 3.3 Objetos Espaciais Os objetos espaciais são as representações das entidades do mundo real, armazenadas no BD Geográfico. A seguir, é descrito como que objetos primitivos do tipo ponto, linha, área ou superfície, são usados para representar as diferentes entidades da realidade Ponto As entidades representadas por objetos do tipo ponto, são aquelas que não possuem dimensões significativas, de acordo com a escala em uso. Entidades como postes elétricos, hidrantes, nascentes de rios, pontos de ônibus, etc, normalmente são representadas pontualmente em mapas de escalas grandes (ex.: 1:5.000). Porém, em mapas de escalas um pouco menores (ex.: 1:20.000), os pontos são usados para representar a localização de escolas, hospitais, prédios públicos, etc. Já, em escalas bem pequenas, os pontos podem representar a localização de cidades no mapa. As coordenadas dos objetos tipo ponto podem ser armazenadas como dois atributos extras na tabela de atributos da entidade. Por exemplo, as coordenadas dos pontos que representam a localização de escolas municipais de um determinado bairro podem ser armazenadas na tabela de escolas, junto com os demais atributos descritivos (Figura 3.3) Posição geográfica das escolas ID Coord.X Coord.Y Nome da Escola Diretora Fundação N.alunos E.E.Sto Antonio Maria José 01/05/ E.E. Prof. Rambo Jose Silva 05/08/ E.M. Imigrantes Rita reis 07/06/ E.E.Gabriela Mistral Rosa Maria 04/04/ Instituto de Educação Ana Maria 28/05/ Figura Tabela de atributos descritivos contendo dados espaciais 16

22 3.3.2 Linha As entidades que são representadas por objetos do tipo linha são aquelas que possuem uma distribuição espacial linear (na escala em uso), como por exemplo as ruas, rodovias, estradas de ferro, cabos telefônicos, rios, etc. As linhas também são usadas, juntamente com os pontos, para representar estruturas de redes (Figura 3.4), que são usadas em aplicações do tipo redes de utilidades públicas (ex.: luz, telefone, gaz e água), redes viárias (ex.: malha rodoviária, ferroviária, hidroviária, linhas aéreas) e redes naturais (ex.: hidrográfica). LEGENDA transformador usina consumidor torre poste linha Figura Entidades de uma rede elétrica Os atributos dos dados em uma rede podem estar relacionados aos nós ou às ligações. Como exemplo de atributos de ligações pode-se citar: direção do sentido do tráfego em uma rua, distância entre duas cidades, diâmetro de uma tubulação, voltagem da rede elétrica, etc. Para atributos associados aos nós da rede pode-se citar: existência de semáforo em um cruzamento, tipo de válvula em um nó de rede de água, tipo do transformador de voltagem em uma rede elétrica, etc Polígono Entidades com características bidimensionais são representadas no banco de dados por objetos do tipo polígono/área. Os limites das entidades podem ser definidos originalmente pelos próprios fenômenos (ex. limites de um lago, região costeira, etc), ou podem ter sido criados pelo homem (ex.: limites de um município, área de reserva florestal, etc). Quanto à distribuição no espaço, as entidades podem ser representadas por polígonos isolados com possibilidade de sobreposição, como mostra a Figura 3.5a (ex. área usada para cultivo de cana-de-açúcar nas últimas décadas), ou cada posição tem que pertencer a exatamente uma única entidade, exemplificado na Figura 3.5b (ex. limites de propriedades rurais/urbanas). 17

23 (a) (b) Figura Distribuição espacial de áreas Uma entidade pode conter regiões vazias ("buracos"), ou outras entidades completamente inseridas dentro da sua área, como mostra a Figura 3.6. Alguns sistemas permitem que uma entidade possa ser representada por um objeto composto por mais de uma primitiva de área, porém com um único conjunto de argumentos [NCG 90]. A B D C D E Figura Distribuição espacial com "buracos" ou "ilhas" A representação dos objetos do tipo polígono, segundo as diferentes visões quanto a distribuição no espaço, depende do modelo de dados suportado pelo sistema Representação de Superfícies Contínuas Alguns fenômenos da natureza, como por exemplo, elevação de terreno, pressão atmosférica, temperatura, densidade populacional, entre outras, são caracterizados por possuírem variação contínua no espaço. Segundo Burrough [BUR 86], a variação da elevação sobre uma área pode ser modelada de diversas maneiras. Modelos de Elevação Digital, ou Modelos Digitais de Terreno podem ser representados tanto por superfícies definidas matematicamente (ex.: séries de Fourier) ou através de imagens de pontos/linhas. As representações mais conhecidas, baseadas em imagens de pontos, são as matrizes de altitude, onde os dados são coletados em intervalos regulares de pontos (Figura 3.2d). Esta abordagem tem a desvantagem de introduzir redundância de dados, quando a área observada possui comportamento estável e pode perder informações, quando a área é muito acidentada. Outra abordagem, também baseada em imagens de pontos, é o modelo de Grade Triangular ou TIN (Triangulated Irregular Network), onde os pontos são coletados mais densamente em áreas com maior variação acidental e mais esporadicamente nas outras 18

24 áreas (Figura 3.2f). Os pontos são conectados formando faces triangulares, onde os valores coletados ficam associados aos vértices dos triângulos. Outro tipo de modelo de terreno, muito utilizado, é formado por um conjunto de linhas de contorno (linhas isométricas), que representam pontos de mesma elevação (Figura 3.2b). Dentro de um SIG, os dados referentes à elevação podem ser convertidos de um modelo para outro, mas podem ocorrer perdas de informações, reduzindo os detalhes da superfície topográfica [ARO 89]. Projeções tridimensionais de superfícies contínuas podem ser usadas, por exemplo, para permitir uma melhor visualização do relevo da área observada (Figura 3.7). Figura Elevações em projeção tridimensional 3.4 Tipos de Relacionamentos entre Objetos Espaciais Os objetos de um banco de dados geográfico representam as entidades do mundo real, através do armazenamento de seus atributos (espaciais e não-espaciais) e dos relacionamentos existentes entre as entidades que eles representam. A grande vantagem dos SIG está em possibilitar operações de análise espacial sobre os dados armazenados. Para isto, além da manutenção dos dados propriamente dita, é necessário manter os diferentes tipos de relacionamentos envolvendo esses dados. Existe uma enorme variedade de possíveis relacionamentos entre entidades. Alguns são mantidos através de estruturas de dados dos SIG, como por exemplo, os relacionamentos de conectividade (entre linhas e nós de uma rede) e de adjacência (entre áreas/polígonos), enquanto que outros são calculados durante a execução das operações de análise espacial (ex.: relacionamento de continência entre um ponto e uma área). Uma entidade pode estar relacionada com outras entidades do mesmo tipo (ex.: dois bairros vizinhos em uma cidade), ou pode estar relacionada com entidades de outros tipos (ex.: bairros localizados num raio de 10 Km de um centro de atendimento emergencial). 19

25 Segundo [NCG 90], existem três categorias de relacionamentos entre objetos espaciais, são eles: 1) Relacionamentos usados para a construção de objetos complexos, a partir de objetos mais simples. Exemplo, os polígonos são formados por um conjunto de linhas, enquanto que uma linha é composta de um conjunto de pares ordenados de coordenadas, que são os pontos. 2) Relacionamentos que podem ser calculados a partir das coordenadas dos objetos, pois não podem ser calculados pelo sistema. Por exemplo, se duas linhas se cruzam, se um ponto está dentro de uma área, se duas áreas estão sobrepostas, etc. 3) Relacionamentos que precisam ser fornecidos no momento da entrada dos dados. Por exemplo, duas linhas podem se cruzar, mas as rodovias representadas por elas podem não estar conectadas devido a existência de uma passagem elevada (um viaduto). A seguir, são listados diversos tipos de relacionamentos entre objetos espaciais e são mostrados exemplos de consultas espaciais que poderiam ser solucionadas através desses relacionamentos. a) Relacionamentos entre pontos - "vizinhança" - liste todos os postos de gasolina (representados por pontos) existentes num raio de 20 Km de um quartel de bombeiros. - "o mais próximo" - identifique o posto da policia rodoviária federal mais próximo do local de um acidente. b) Relacionamentos entre ponto-linha - "termina em" - identifique o tipo de válvula existente nas extremidades de um oleoduto. - "o mais próximo" - identifique a rodovia mais próxima ao local da queda de um avião. c) Relacionamentos entre ponto-polígono - "está contido" - identifique as escolas estaduais que se localizam em um determinado bairro. - "visibilidade" - calcule o número de agências bancárias que podem ser alcançadas por uma torre de transmissão de microondas. d) Relacionamentos entre linhas - "cruza" - verifique se duas rodovias se cruzam em algum ponto. - "flui para/desemboca" - identifique quais os rios que desembocam no Rio São Francisco. 20

26 e) Relacionamentos entre linha-área - "cruza" - identifique todas as linhas de ônibus que passam por um determinado bairro. - "limites/fronteira" - quais os estados, para os quais o Rio São Francisco faz parte da divisa. f) Relacionamentos entre áreas - "sobrepõe" - verifique se a área de incidência de dengue sobrepõe-se a uma área sem infra-estrutura de água e esgoto. - "mais próximo" - encontrar o lago mais próximo da área do incêndio florestal. - "é adjacente" - identificar os bairros adjacentes ao bairro Sant'Anna. 3.5 Armazenando Topologia em Banco de Dados Uma das características mais importantes dos SIG, é sua capacidade de armazenar os relacionamentos (vizinhança, proximidade e pertinência) entre os objetos espaciais [ARO 89]. Estes relacionamentos são fundamentais para possibilitar a realização de diversos tipos de operações de análise espacial. Quando um mapa de uma região que está sobre a superfície curva da Terra, é projetado sobre uma superfície plana (ex.: folha de papel), algumas propriedades são alteradas (ex.: ângulos e distâncias), enquanto que outras permanecem (ex.: adjacências e pertinências). Estas propriedades que não se alteram quando o mapa sofre uma transformação são conhecidas como propriedades topológicas [KEM 92]. O termo topologia é atribuído às estruturas de relacionamentos espaciais que podem, ou não, ser mantidas no banco de dados. Um banco de dados espacial é dito topológico se ele armazena a topologia dos objetos. Por outro lado, um banco de dados é dito cartográfico se os objetos são vistos e manipulados somente de forma independente [GOO 90]. Banco de dados cartográficos são usados em muitos pacotes para confecção de mapas, onde as operações de análise são menos importantes do que as funções que auxiliam no posicionamento de rótulos, bibliotecas de símbolos cartográficos, etc. Um banco de dados cartográfico pode ser convertido em um banco de dados topológico através do cálculo e identificação dos relacionamentos entre objetos. Este processo é conhecido como Construir Topologia (Building Topology) [LAU 92]. O processo de Construir Topologia é usado também, para identificar os objetos em um mapa, a partir das linhas digitalizadas. Este processo é feito empregando-se o conceito de Restrição Planar (Planar Enforcement), que consiste na aplicação de duas regras, sobre os objetos usados para descrever a variação espacial. Basicamente, as regras de Restrições Planar são as seguintes [NCG 90]: Regra 1: Dois objetos do tipo área não podem se sobrepor. 21