Modelagem de dados geográficos utilizando um perfil UML alinhado a padrões internacionais e à abordagem MDA

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1 Modelagem de dados geográficos utilizando um perfil UML alinhado a padrões internacionais e à abordagem MDA Filipe Ribeiro Nalon 1, Jugurta Lisboa Filho 1, Douglas Alves Peixoto 1 1 Departamento de Informática Universidade Federal de Viçosa (UFV) Viçosa MG Brasil frnalon@dpi.ufv.br, jugurta@ufv.br, douglas.corpsegrinder@hotmail.com Abstract. A UML profile was proposed to standardize the task of geographical data modeling. The UML profile developed presents characteristics of the main existent models, seeking, in that way, to give support the all of the requirements for geographical applications modeling. This article shows the integration of GeoProfile with the international standards of ISO series, which are addressed to geographical information. This integration is presented through the different abstraction levels of the approach Model Driven Architecture (MDA). Resumo. Um perfil UML foi proposto para padronizar a tarefa de modelagem de dados geográficos. O perfil UML desenvolvido apresenta características dos principais modelos existentes, procurando, dessa forma, dar suporte a todos os requisitos para modelagem de aplicações geográficas. Esse artigo mostra a integração do GeoProfile com os padrões internacionais da série ISO 19100, os quais são voltados para informação geográfica. Essa integração é apresentada através dos diferentes níveis de abstração da abordagem Model Driven Architecture (MDA). 1. Introdução Um domínio de aplicação que vem recebendo bastante atenção na atualidade é o de aplicações geográficas, devido à maior disponibilidade de dados espaciais. Nos últimos 20 anos, várias pesquisas foram realizadas visando criar ou adaptar modelos conceituais de dados para aplicações geográficas. Dentre os mais conhecidos, podem-se destacar os modelos OMT-G [Borges et al. 2001], UML-GeoFrame [Lisboa Filho e Iochpe 2008], GeoOOA [Kösters et al. 1997], MADS [Parent et al. 2008] e Perceptory s model [Bédard e Larrivée 2008]. O surgimento de vários modelos trouxe um problema para a área, que é a falta de um padrão de modelagem. Ferramentas foram criadas para os diversos modelos e há dificuldade de se obter interoperabilidade entre as soluções criadas, tornando, dessa forma, inviável o reuso de soluções em outros projetos. Além disso, há certos requisitos da modelagem de aplicações geográficas que uns modelos dão suporte e outros não. Para a padronização da área, foi especificado o GeoProfile [Lisboa Filho et al. 2010]. GeoProfile é um perfil UML para modelagem conceitual de bancos de dados geográficos (BDGeo) que reuni as características dos principais modelos conceituais existentes. O uso de perfis UML permite o aproveitamento de toda a estrutura da UML

2 como, por exemplo, de ferramentas CASE (Computer-Aided Software Engineering). Dessa forma, não é necessário criar ferramentas específicas para o modelo. Como esforço para a padronização da informação geográfica, algumas organizações, como a ISO (International Organization for Standardization) e OGC(Open Geospatial Consortium) têm publicado padrões internacionais para auxiliar na construção de aplicações geográficas padronizadas. Esse artigo descreve a integração do GeoProfile com os padrões da série ISO 19100, utilizando os diferentes níveis de abstração da abordagem MDA [OMG 2003]. A seção 2 apresenta o GeoProfile. A seção 3 apresenta alguns dos padrões da série ISO que podem ser usados na modelagem de BDGeo. A seção 4 compara os níveis de abstração entre o GeoProfile e os padrões ISO e apresenta um exemplo de aplicação. Na seção 5 são feitas algumas considerações finais e propostos alguns trabalhos futuros. 2. GeoProfile um perfil UML para modelagem conceitual de bancos de dados geográficos O perfil UML proposto para modelagem conceitual de BDGeo, denominado GeoProfile [Lisboa Filho et al. 2010], reuni as características dos principais modelos conceituais da área, já citados anteriormente, procurando, desta forma, atender aos requisitos da modelagem de aplicações geográficas. O GeoProfile foi especificado seguindo as diretrizes para especificação de perfis UML discutidas em Fuentes e Vallecillo (2004) e em Selic (2007). O primeiro passo foi a construção do metamodelo do domínio, no qual os conceitos presentes na modelagem de BDGeo e os requisitos básicos foram abordados. Os principais modelos conceituais de BDGeo existentes atualmente foram analisados, procurando extrair as principais contribuições de cada um, sempre buscando atender aos requisitos da modelagem conceitual de BDGeo. O segundo passo foi estender as metaclasses da UML para criar o perfil em si. Nessa etapa foram definidos os estereótipos, tagged values e as constraints. Os estereótipos do GeoProfile são mostrados na figura 1. Figura 1. Os estereótipos do GeoProfile.

3 A maioria dos estereótipos do GeoProfile estendem a metaclasse Class. Os estereótipos GeoObject e GeoField representam os fenômenos geográficos percebidos nas visões de objetos e de campos, respectivamente. Como esses estereótipos foram definidos como abstratos, assim como os estereótipos NetworkObj e Arc, eles não serão disponibilizados para serem adicionados às classes do esquema durante a utilização do GeoProfile, mas sim suas subclasses correspondentes. Além das extensões à metaclasse Class, foi incluída também extensões à metaclasse Association. Essas extensões tiveram o propósito de criar estereótipos para atender aos relacionamentos topológicos, os quais são representados pelos seguintes estereótipos: Touch, In, Cross, Overlap e Disjoint. Foram também incluídas algumas constraints, que servem, entre outras coisas, para validação do esquema conceitual gerado pelo projetista. As constraints foram definidas utilizando a linguagem OCL (Object Constraint Language) e possuem como contexto os estereótipos criados. Detalhes sobre a especificação de constraints podem ser obtidos em Lisboa Filho et al. (2010). 3. Padrões internacionais para informação geográfica Os esforços para a padronização internacional na área de informação geográfica começaram durante a última década por meio de organizações como ISO e OGC. O desenvolvimento desses padrões teve como objetivo reduzir a inconsistência entre o de jure (i.e., oficial, aprovado por um corpo de padronização, como ISO) e o de facto ou padrões industriais (i.e., adotados por usuários, indústria e/ou setor profissional, por causa de sua popularidade) [Brodeur e Badard 2008]. O comitê técnico ISO/TC 211 é o responsável pela preparação da série ISO 19100, cujos padrões são voltados para a área de informação geográfica. Esses padrões podem contribuir em vários níveis de abstração, desde a modelagem até considerando aspectos de implementação. Neste artigo são analisados alguns padrões do grupo de padrões que descrevem modelos de dados para informação geográfica, mais especificamente os padrões ISO Spatial Schema [ISO/TC ], ISO Temporal Schema [ISO/TC ] e ISO Schema for Coverage Geometry and Functions [ISO/TC ]. O padrão ISO Spatial Schema especifica esquemas para descrever e manipular as características espaciais das feições geográficas. Uma feição é uma abstração de um fenômeno do mundo real. Essa abstração é uma feição geográfica se ela está associada com uma localização relativa na Terra [ISO/TC ]. O padrão consiste de diagramas de classes conceituais que podem ser usadas em esquemas de aplicações, perfis e especificações de implementação. Ele também define operações espaciais, recursos para uso no acesso, consulta, gerência, processamento e intercâmbio de dados geográficos. O padrão ISO define em detalhes as características geométricas e topológicas que são necessárias para descrever as feições geográficas. O padrão ISO Temporal Schema define os conceitos relacionados às características temporais da informação geográfica, mostrando como essas características são abstraídas do mundo real. Jensem et al. (1994) conceitua dois tipos de tempo, o tempo válido e o tempo de transação. O primeiro é o tempo quando um fato é verdadeiro na realidade observada e é gerado pelo usuário. Já o segundo é o tempo

4 quando um fato está em vigor num banco de dados e pode ser recuperado. Esse padrão internacional dá ênfase ao tempo válido em lugar do tempo de transação. O padrão consiste de uma hierarquia de classes que considera os aspectos geométricos e topológicos das características temporais [ISO/TC ]. Já o padrão ISO Schema for Coverage Geometry and Function define um esquema para as características espaciais de coberturas. Uma cobertura é uma feição que tem múltiplos valores para cada tipo de atributo e pode representar uma feição simples ou um conjunto de feições. Elas integram fenômenos geográficos discretos e contínuos [ISO/TC ]. Exemplos de coberturas incluem rasters, TIN, coberturas de pontos e coberturas de polígonos. Elas são usadas em várias áreas específicas como, por exemplo, sensoriamento remoto, meteorologia, solos, vegetação, etc.. 4. Adequação do GeoProfile a padrões internacionais usando os níveis de abstração de modelos da MDA O GeoProfile foi projetado para atuar em um nível de abstração mais alto, auxiliando os projetistas nos primeiros passos de um projeto de BDGeo. Esse nível de abstração, na abordagem clássica de projeto de banco de dados, é chamado de nível conceitual, no qual apenas aspectos relacionados ao domínio do problema são levados em consideração, sem lidar com detalhes de implementação. Na abordagem MDA, esse nível mais abstrato é chamado de Computation Independent Model (CIM), ou Modelo Computacionalmente Independente. Conforme OMG (2003), tal modelo usa um vocabulário familiar aos especialistas do domínio em questão. Um CIM não mostra detalhes da estrutura dos sistemas, mas o ambiente em que o sistema vai operar, sendo útil para entender o problema. Esses modelos de níveis de abstração mais altos devem ser transformados em modelos de níveis mais baixos, os quais são enriquecidos com elementos de ordem mais técnica até atingir detalhes de implementação. Na abordagem clássica, essa transformação é chamada de mapeamento conceitual-lógico. É o que ocorre, por exemplo, na transformação de um esquema feito no Modelo Entidade-Relacionamento para o Modelo Relacional. Já na abordagem MDA, um CIM é transformado em um Platform Independent Model (PIM), ou Modelo Independente de Plataforma, que é um modelo menos abstrato e apresenta alguns detalhes técnicos, porém ainda independente de alguma plataforma específica. Um dos principais benefícios da abordagem MDA é o ganho de produtividade no desenvolvimento de sistemas de software através da ênfase dada à modelagem e à transformação de modelos de níveis de abstração mais altos para modelos de níveis mais baixos de forma automatizada [Kleppe et al. 2003]. O projeto de BDGeo pode seguir esses passos. Por exemplo, utilizando ferramentas que dêem suporte às transformações, será possível gerar, a partir do GeoProfile, modelos de níveis mais baixos e, posteriormente, modelos para plataformas específicas. O GeoProfile, que é um perfil UML para modelagem conceitual de BDGeo, também atua como um CIM, por representar o BDGeo de forma mais abstrata, sem levar em consideração detalhes de implementação. O GeoProfile utiliza os mecanismos de extensão da UML para representar quais são as características espaciais de determinado objeto geográfico e não como essas características serão implementadas.

5 Os padrões internacionais da série ISO 19100, analisados na seção anterior, por apresentarem alguns detalhes técnicos, atuam em um nível de abstração mais baixo, mais especificamente como um PIM. Apesar de ainda estarem em um nível conceitual e não apresentarem detalhes de implementação, esses padrões não estão no mesmo nível de abstração do GeoProfile. A tabela 1 mostra a correspondência entre o GeoProfile e os padrões da série ISO Os padrões usados são: o padrão ISO 19107, que trata de esquemas que descrevem e manipulam as características espaciais das feições geográficas, o padrão ISO 19108, que trata das características temporais e o padrão ISO 19123, que trata das características espaciais de coberturas. Por exemplo, os fenômenos percebidos na visão de objetos modelados com o GeoProfile serão mapeados para um PIM enriquecido com os padrões ISO da seguinte forma: as classes estereotipadas como Point serão mapeadas para uma classe que terá um atributo chamado geometria do tipo GM_Point. No padrão ISO 19107, GM_Point é um tipo de dados básico para objetos com dimensão zero. O mesmo será feito com as outras três classes, Line, Polygon e ComplexSpatialObj, as quais serão mapeadas para uma classe com o atributo geometria do tipo GM_Curve, GM_Surface e GM_Complex, respectivamente. Tabela 1. Correspondência entre o GeoProfile e os padrões da série ISO Requisitos da modelagem de BDGeo Objetos geográficos na visão de objetos Objetos geográficos na visão de campos Elementos de rede Objetos temporais GeoProfile Classes nos padrões internacionais Padrão Point GM_Point ISO Line GM_Curve ISO Polygon GM_Surface ISO ComplexSpatialObj GM_Complex ISO TIN CV_TINCoverage ISO Isolines CV_SegmentedCurveCoverage ISO AdjPolygons CV_DiscreteSurfaceCoverage ISO GridOfPoints CV_DiscreteGridPointCoverage ISO GridOfCells CV_GridCell ISO IrregularPoint CV_DiscretePointCoverage ISO Node TP_Node ISO Arc TP_Edge ISO UnidirectionalArc TP_DirectedEdge ISO BidirectionalArc TP_DirectedEdge ISO Temporal Object TM_Object ISO Instant TM_Instant ISO Interval TM_Period ISO 19108

6 A realização dessas correspondências pode ser feita como uma transformação entre um CIM, que é um esquema utilizando o GeoProfile, e um PIM, que é um esquema enriquecido com os elementos dos padrões ISO, podendo ser utilizadas linguagens de transformação de modelos como, por exemplo, a linguagem Atlas Transformation Languagem (ATL), para realizar essas transformações de forma automatizada. Com a transformação de um esquema modelado com o GeoProfile para um esquema enriquecido com os detalhes técnicos dos padrões internacionais, a geração de um modelo para uma plataforma específica ou Platform Specific Model (PSM) e a posterior geração de código será facilitada. Os padrões da série ISO usados acima são os que mais se aproximam dos requisitos para modelagem de BDGeo. Por exemplo, o padrão ISO foi usado para fazer a correspondência com os estereótipos do GeoProfile que representam os objetos geográficos percebidos na visão de objetos e também com os elementos de redes. O padrão ISO foi usado para fazer a correspondência com os elementos que representam os aspectos temporais e o padrão ISO foi usado para fazer a correspondência com os estereótipos do GeoProfile que representam os objetos geográficos percebidos na visão de campos Exemplo de aplicação A figura 2 mostra um exemplo de esquema conceitual modelado com o GeoProfile. O esquema utiliza uma notação gráfica para os estereótipos do GeoProfile. Essa é uma possibilidade sugerida pelo OMG para perfis UML. Na modelagem de BDGeo, essa notação gráfica para representar as características espaciais de objetos geográficos é empregada em vários modelos como, por exemplo, em [Bédard e Larrivée 2008]. Nesse esquema está sendo utilizada a notação gráfica para os estereótipos <<Polygon>> e <<Point>>, os quais estão sendo representados pelos ícones e, respectivamente. O esquema mostra quatro classes, sendo três delas com características espaciais, as quais foram representadas pelos estereótipos do GeoProfile. Nesse nível de abstração foram consideradas apenas quais as representações geográficas e não como elas serão implementadas, assim como alguns atributos básicos. Portanto, o esquema é um CIM, o qual usa conceitos que estão mais próximos aos usuários finais. CIM Figura 2. Esquema conceitual utilizando o GeoProfile, atuando como um CIM.

7 O CIM construído usando o GeoProfile deve ser transformado em um PIM, o qual levará em consideração alguns detalhes técnicos. A figura 3 mostra o PIM resultante dessa transformação. As características espaciais foram transformadas em atributos com os tipos de dados de acordo com a correspondência feita com os padrões da série ISO Por exemplo, a classe Cidade, a qual foi modelada como um polígono (estereótipo <<Polygon>>), agora, nesse nível de abstração, tem um atributo geometria do tipo GM_Polygon. O mesmo foi feito com as outras classes que possuem características espaciais. PIM Figura 3. Esquema enriquecido com os padrões ISO, atuando como um PIM. A próxima etapa é transformar o PIM em um PSM, que pode ser, por exemplo, um modelo de banco de dados objeto-relacional, porém, por razões de espaço essa transformação não será mostrada nesse artigo. É importante destacar que, usando a abordagem MDA, essas transformações podem ser executadas de forma automatizada, utilizando, por exemplo, uma linguagem de transformação de modelos, como a ATL. 5. Considerações finais e trabalhos futuros O desenvolvimento do GeoProfile teve como principal motivação o fato de poder utilizar a linguagem de modelagem UML, juntamente com todos os seus recursos disponíveis como, por exemplo, as ferramentas CASE, para modelar conceitualmente um BDGeo. Ele reúne na sua definição os principais requisitos para aplicações geográficas e possui características dos principais modelos existentes. O artigo mostrou a integração do GeoProfile com os padrões internacionais da série ISO A utilização desses padrões é muito importante para viabilizar a aceitação do perfil pela comunidade científica e pelos projetistas de BDGeo. Utilizando a abordagem MDA, foi possível mostrar a diferença de níveis de abstração entre o GeoProfile e os padrões internacionais. Como trabalhos futuros, pode-se citar a definição de transformações para modelos de plataformas específicas e a geração de código como, por exemplo, a estrutura do BDGeo utilizando a linguagem SQL. Agradecimentos Projeto parcialmente financiado pela Fapemig e pelo CNPq.

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