CIP - Catalogação na Publicação

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE INFORMÁTICA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Modelos Conceituais de Dados para Sistemas de Informações Geográficas CIP - Catalogação na Publicação por JUGURTA LISBOA FILHO LISBOA FILHO, Jugurta Modelos Conceituais de Dados para Sistemas de Informações Geográficas / Jugurta Lisboa Filho. - Porto Alegre: CPGCC da UFRGS, p. 119: il - (EQ-12) EQ-12 CPGCC-UFRGS Exame de Qualificação Prof. Cirano Iochpe Orientador Trabalho orientado pelo Prof. Dr Cirano Iochpe. 1. Sistemas de Banco de Dados 2. Modelos Conceituais de Dados 3. Sistemas de Informações Geográficas. 4. Sistemas de Geoprocessamento. 5. Dados Georreferenciados. I. Iochpe, Cirano. II. Título. III. Série. Porto Alegre, abril de 1997 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Reitor: Profa. Dra. Wrana Panizzi Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação: Prof. Dr. José Carlos Ferraz Hennemann Diretor do Instituto de Informática: Prof. Dr. Roberto Tom Price Coordenador do CPGCC: Prof. Dr. Flávio R. Wagner Bibliotecária-Chefe do Instituto de Informática: Zita Prates de Oliveira

2 Princípios Básicos Formas de Sensoriamento Remoto Fontes de Dados Geográficos Qualidade dos Dados Geográficos...27 Sumário Lista de Figuras... 6 Lista de Tabelas... 7 Resumo... 8 Abstract Introdução Contextualização da Área de Abrangência Estrutura do Documento...11 PARTE I Sistemas de Informações Geográficas Conceitos Básicos Sistema de Informação Geográfica Breve Histórico do Desenvolvimento de SIG Áreas de Aplicação de SIG Dados Georreferenciados Vocabulário em Banco de Dados Geográfico Aspectos Tecnológicos em Geoprocessamento Geoprocessamento Fundamentos em Cartografia Conceito de mapa Escala Sistemas de Coordenadas Projeções Cartográficas Fundamentos em Sensoriamento Remoto Componentes de SIG Objetos Espaciais Ponto Linha Polígono Representando Fenômenos Geográficos através de Superfícies Relacionamentos Espaciais Exemplos de Relacionamentos entre Entidades Geográficas Conceito de Topologia Modelos de Dados Geográficos Arquitetura Genérica de SIG Métodos de Aquisição de Dados Digitalização Leitura Ótica Digitação GPS Arquivo Digital Estruturas de Armazenamento de Dados Espaciais Estruturas Matriciais Técnica Run-Length Encoding Estruturas Quadtrees Estruturas Vetoriais Estrutura de Dados para Armazenar Pontos Estrutura de Dados para Armazenar Linhas Estrutura de Dados para Armazenar Polígonos Processamento e Análise de Dados em SIG Funções de Manutenção 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...50

3 Consulta a Atributos Descritivos Análise Integrada de Dados Espaciais e Descritivos Funções de Recuperação, Classificação e Medidas Funções de Sobreposição de Camadas Funções de Vizinhança Funções de Conectividade Formatação de Saída Temas Atuais de Pesquisa na Área de SIG...55 PARTE II Análise de Modelos Conceituais de Dados para Sistemas de Informações Geográficas Modelos de Dados Taxonomias de Modelos de Dados Modelos de Dados e as Fases do Projeto de Banco de Dados Modelos de Dados numa Escala de Flexibilidade e Expressividade Primitivas de Abstração Classificação Generalização & Especialização Agregação Associação Principais Modelos Semânticos Modelo E-R Modelo GSM Características dos Modelos Orientados a Objetos OMT - Um Exemplo de Modelo de Objetos Modelo Clementini Modelo GeoIFO Modelo Modul-R Modelo GeoOOA Modelo Faiz Análise Comparativa de Modelos Conceituais no Contexto de SIG Visão de Campo & de Objetos Relacionamentos Espaciais Temporalidade dos Dados Geográficos Requisitos de Qualidade Múltiplas Representações Limites Nebulosos Outros Comentários Conclusões Bibliografia Modelos de Dados para Aplicações Geográficas Requisitos Especiais das Aplicações Geográficas Visão de Campo & de Objetos Relacionamentos Espaciais Temporalidade dos Dados Geográficos Requisitos de Qualidade Múltiplas Representações Limites Nebulosos (fuzzy) Níveis de Abstração de Dados Geográficos Modelos Conceituais Específicos para Aplicações Geográficas Modelo GMOD/UAPE Modelo MGeo...86

4 6 7 Lista de Figuras Lista de Tabelas Figura Espectro eletromagnético [LIL 87]...24 Figura Entidades de uma rede elétrica...29 Figura Distribuição espacial de entidades do tipo polígono...30 Figura Processo de construção da topologia [NCG 90]...34 Figura Aspectos tecnológicos de SIG [ANT 91]...36 Figura Componentes de um SIG [CAM 96]...37 Figura Exemplo de representação matricial e vetorial...39 Figura Técnica run-length encoding [ARO 89]...42 Figura Exemplo de estrutura quadtree [SAM 89]...43 Figura Estrutura de dados para rede [NCG 90]...45 Figura Representação em grafos não-direcionados [LAU 92]...46 Figura Relacionamento de polígonos adjacentes [NCG 90]...47 Figura Exemplo de operação de redução de coordenadas...50 Figura Operações de sobreposição de camadas...52 Figura Exemplo de zonas de buffer...54 Figura Exemplo de Abstração de Generalização e Especialização...62 Figura Construtores do modelo E-R...65 Figura Dois tipos de hierarquia no modelo EER...65 Figura Exemplo de esquema conceitual no modelo GSM...66 Figura Projeto de Banco de Dados Espacial [MIL 93]...68 Figura Subconjunto de construtores do modelo de objetos OMT...70 Figura Modelos de dados na visão de campo...74 Figura Exemplo de variação espaço-temporal [WOR 94a]...77 Figura Níveis de especificação de aplicações geográficas...80 Figura O Modelo de Dados GMOD [OLI 97]...84 Figura Hierarquia de classes no modelo MGeo [TIM 94]...86 Figura Estrutura geral de classes [CLE 94]...89 Figura Exemplo da hierarquia de generalização de classes [CLE 94]...90 Figura Componentes do modelo GeoIFO [TRY 95]...92 Figura Exemplo de uso do modelo E-R Geográfico [TRY 95]...93 Figura Módulos do modelo Modul-R [CAR 93]...94 Figura Tipos de classes em GeoOOA [KÖS 95]...97 Figura Tipos de estruturas todo-parte espacial em GeoOOA...97 Figura Exemplo de modelagem de rede elétrica em GeoOOA [KÖS 95]...98 Figura Esquema de meta-dados no modelo Faiz (adapt. de [FAI 94]) Tabela Tipos básicos de objetos espaciais [NCG 90]...19 Tabela Características básicas dos satélites...25 Tabela Requisitos de aplicações geográficas X modelos conceituais para SIG...102

5 8 9 Resumo Abstract Este trabalho constitui-se de duas partes referentes aos exames de qualificação em abrangência e em profundidade, desenvolvidos no curso de doutorado do CPGCC da UFRGS. A primeira parte (exame de qualificação em abrangência) apresenta uma visão geral dos Sistemas de Informações Geográficas (SIG), onde são descritos, inicialmente, alguns conceitos básicos, um breve histórico de seu desenvolvimento e uma visão das principais áreas de aplicação desses sistemas. Em seguida, são descritos os principais aspectos tecnológicos relacionados com a área de Geoprocessamento, onde os SIGs se enquadram. Por último, são detalhados os componentes presentes na maioria dos sistemas incluindo os métodos de aquisição de dados espaciais, estruturas de armazenamento de dados espaciais e funções de processamento e análise de dados espaciais. Na segunda parte (exame de qualificação em profundidade) são descritos e analisados vários modelos conceituais de dados específicos para aplicações geográficas. Inicialmente, é feita uma revisão dos modelos de dados empregados no projeto de sistemas de informação em geral. Em seguida, é apresentado um conjunto de requisitos específicos das aplicações geográficas e descrito diversos modelos conceituais de dados, propostos para atender a essas aplicações. Por último, é feita uma análise comparativa desses modelos com base nos requisitos impostos pelas aplicações geográficas. This work represents the results of the qualifying examination of the doctorate course of CPGCC-UFRGS. Its first part refers to the wide-ranging examination and the second one to the examination in depth. Both exams explore the knowledge area of Geographic Information Systems (GIS). The wide-ranging examination gives an overview of the knowledge area while the examination in depth discusses issues that are related to the modeling of GIS applications. After describing some basic concepts of the area, the first part explores technical issues as digital cartography, and remote sensing. Furthermore, the first part discusses also spatial data retrieval, spatial data structures, and spatial analysis and data processing functions. The second part of the document first reviews several conceptual data models in the context of information systems modeling. Following this introduction, new requirements posed by GIS applications are presented and discussed. Relying on those requirements, a set of newly proposed conceptual data models for GIS applications are introduced and compared. The document is concluded with a discussion of future perspectives in the field of GIS application modeling. PALAVRAS-CHAVE: Sistemas de Banco de Dados, Modelos Conceituais de Dados, Sistemas de Informações Geográficas, Sistemas de Geoprocessamento, Dados Georreferenciados. KEY WORDS: Database Systems, Conceptual Data Models, Geographic Information Systems, Geoprocessing Systems, Georeferenced Data.

6 10 11 armazenamento mais eficientes e um suporte adequado a transações longas e não isoladas [HAD 96]. 1 Introdução Esta monografia corresponde ao Exame de Qualificação do autor, desenvolvido como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Ciência da Computação, junto ao Curso de Pós-Graduação em Ciência da Computação (CPGCC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A monografia está dividida em duas partes. A primeira possui o subtítulo Sistemas de Informações Geográficas e corresponde ao Exame de Qualificação em Abrangência, onde são apresentados os fundamentos da área em que se está desenvolvendo a pesquisa. A segunda parte, de subtítulo Análise de Modelos Conceituais de Dados para Sistemas de Informações Geográficas, corresponde ao Exame de Qualificação em Profundidade, onde é apresentado o estado-da-arte e é feita uma análise crítica dos modelos conceituais de dados propostos, especificamente, para modelagem de aplicações geográficas no contexto de Sistemas de Informações Geográficas. 1.1 Contextualização da Área de Abrangência A área de Sistemas de Informação pode ser dividida, num primeiro nível, em dois grandes grupos: o grupo dos sistemas de informações convencionais e o grupo dos sistemas de informações não-convencionais. Sistemas de informações convencionais caracterizam-se por permitir o desenvolvimento de aplicações que possam ser naturalmente modeladas com base em modelos de dados tradicionais (hierárquico, em rede e relacional), cujos aspectos dinâmicos podem ser apreendidos pelo paradigma de transação ACID, que possuem interfaces homem-máquina não-cooperativas e que não suportam trabalho em grupo. Os sistemas de informações não-convencionais são voltados para as aplicações que não se enquadram na classificação anterior como, por exemplo: Sistemas de Informações Geográficas (SIG); Sistemas de Apoio a Projeto (CAD); Sistemas de Informação para Automação Industrial; Sistemas de Automação de Escritório (OIS); e Trabalho Cooperativo Apoiado por Computador (CSCW). Estes sistemas se caracterizam, principalmente, pela necessidade de manipular objetos complexos e executar transações não ACID. Isto implica na necessidade de novos modelos de dados, novos tipos de operações sobre os objetos, métodos de acesso e estruturas de Existem diversos ramos da Ciência da Computação que contribuem para o desenvolvimento dos Sistemas de Informações Geográficas, entre eles pode-se citar: Banco de Dados, Computação Gráfica, Inteligência Artificial e Engenharia de Software. Além disso, conceitos originários de outras áreas como Cartografia e Sensoriamento Remoto são incorporados a esses sistemas. Desta forma, muitas vezes a área de Sistemas de Informações Geográficas é tratada como uma disciplina independente [GOO 92a]. 1.2 Estrutura do Documento A Parte I, possui o subtítulo Sistemas de Informações Geográficas e compreende os capítulos 2 a 4. O capítulo 2 apresenta a definição dos principais conceitos relacionados a Sistemas de Informações Geográficas, fornece um pequeno histórico de seu desenvolvimento e relaciona as principais áreas onde esses sistemas são aplicados. No capítulo 3 são descritos os aspectos tecnológicos relacionados com a área de Geoprocessamento, que engloba toda forma de processamento de dados geográficos. São descritos os fundamentos básicos das áreas de Cartografia e Sensoriamento Remoto, são caracterizadas as principais fontes de dados geográficos e, por último, são descritas algumas considerações sobre a qualidade dos dados geográficos. O capítulo 4 descreve os principais componentes pertencentes a um Sistema de Informações Geográficas. É apresentada uma descrição inicial sobre os modelos de dados geográficos. São descritos os tipos de objetos espaciais usados para representar espacialmente os dados geográficos e os tipos de relacionamentos existentes entre esses dados. São apresentados os métodos mais utilizados na aquisição de dados geográficos, diversas estruturas de dados que permitem o armazenamento e a recuperação desses dados e, por último, um conjunto significativo de funções que permitem ao usuário processar e analisar os dados geográficos. A Parte II, de subtítulo Análise de Modelos Conceituais de Dados para Sistemas de Informações Geográficas, compreende os capítulos 5 a 7. No capítulo 5 são descritas as características gerais dos diversos modelos de dados utilizados para se projetar um banco de dados. Na seção 5.1 são apresentadas duas classificações desses modelos de dados. A seção 5.2 descreve algumas primitivas de abstração encontradas na maioria dos modelos de dados semânticos e orientados a objetos. A seção 5.3 faz uma revisão de dois dos principais modelos de dados

7 12 13 semânticos e a seção 5.4 descreve as principais características dos modelos de dados orientados a objetos. O capítulo 6 faz uma revisão do estado-da-arte em matéria de modelos de dados que são projetados especificamente para aplicações geográficas. Na seção 6.1 são levantados requisitos especiais que são apresentados pelas aplicações geográficas. A seção 6.2 descreve os diferentes níveis de abstração com que os dados geográficos são modelados. Na seção 6.3 são descritos os principais modelos de dados conceituais utilizados no projeto de banco de dados geográficos. No capítulo 7 é feita uma análise comparativa dos modelos descritos na seção 6.3, com base nos requisitos identificados na seção 6.1. As conclusões finais do trabalho são descritas no capítulo 8. PARTE I Sistemas de Informações Geográficas

8 14 15 Diversas definições de SIG são encontradas na literatura, variando de acordo com as quatro abordagens anteriores. A seguir são listadas algumas dessas definições: 2 Conceitos Básicos 2.1 Sistema de Informação Geográfica O termo Sistema de Informação Geográfica 1 (SIG) caracteriza os sistemas de informação que possibilitam a realização de operações de análise espacial envolvendo dados georreferenciados, ou seja, dados referenciados geograficamente em relação à superfície terrestre. Uma das principais características de um SIG é sua capacidade de manipular dados gráficos (cartográficos) e não-gráficos (descritivos) de forma integrada, provendo uma forma consistente para análise e consulta. É possível, desta forma, ter acesso às informações descritivas de uma entidade geográfica a partir de sua localização geográfica e vice-versa. Além disso, pode-se fazer conexões entre diferentes entidades com base em relacionamentos espaciais. Denomina-se entidade geográfica, qualquer fenômeno do mundo real que possua atributos associados à sua localização sobre a superfície terrestre num certo instante ou intervalo de tempo [CAM 96]. Segundo Cowen [COW 88], existem quatro abordagens distintas para se definir um SIG: a abordagem orientada a processos; a abordagem da aplicação; a abordagem toolbox (caixa de ferramentas); e a abordagem de banco de dados. A abordagem orientada a processos baseia-se na idéia de que um SIG é constituído de diversos subsistemas integrados, que incluem procedimentos de entrada, armazenamento e recuperação de informações geográficas. A abordagem da aplicação caracteriza o SIG de acordo com o tipo de informação utilizada (ex.: gerenciamento de recursos naturais, planejamento urbano). A abordagem toolbox vem da idéia de que um SIG incorpora um sofisticado conjunto de procedimentos e algoritmos, baseados em computador, para manipular dados espaciais (ex.: produção automática de mapas). Por último, a abordagem de banco de dados define um SIG como um banco de dados não-convencional que permite o armazenamento e a recuperação de informações geográficas. 1 do Inglês, Geographic Information System (GIS) Um SIG á um sistema que utiliza um banco de dados espacial para fornecer respostas a consultas de natureza geográfica (Goodchild, 1988 Apud [COW 88]). Um SIG é um poderoso conjunto de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e exibir dados espaciais do mundo real para um conjunto particular de propósitos [BUR 86]. Um SIG é um sistema de suporte à decisão que envolve a integração de dados referenciados espacialmente em um ambiente de solução de problemas [COW 88]. Um SIG é um conjunto de procedimentos, manuais ou baseados em computador, usados para armazenar e manipular dados referenciados geograficamente [ARO 89]. Um SIG é um sistema de informação, baseado em computador, que possibilita a captura, modelagem, manipulação, recuperação, análise e apresentação de dados referenciados geograficamente [WOR 95]. Existem diversos tipos de sistemas que manipulam dados espaciais, como os sistemas de cartografia automatizada e os sistemas de CAD (Projeto Auxiliado por Computador), porém, os SIGs se diferenciam desses sistemas por dois motivos principais. Primeiro, por sua capacidade de representar os relacionamentos espaciais (ou topológicos) entre as entidades geográficas. Segundo, por permitir a realização de complexas operações de análise espacial com os dados geográficos. 2.2 Breve Histórico do Desenvolvimento de SIG 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 [ANT 91]. As pesquisas na área de Geoprocessamento 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), Computer-Aided Drafting and Design (CADD), Multipurpose Cadastre e outros, foram usados para identificar sistemas, em diferentes áreas da atividade humana, que tinham como característica comum, o tratamento de informações georreferenciadas. Os SIGs 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,

9 16 17 exploração de petróleo, controle de recursos naturais, sócio-econômicos e controle do uso da terra. Os primeiros SIGs eram dirigidos, principalmente, para o processamento de atributos de dados e análises geográficas, mas possuíam capacidades gráficas muito 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 SIGs. Também o desenvolvimento de dispositivos de alta tecnologia, como monitores de vídeo e "plotters" coloridos, contribuiu 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]. 2.3 Áreas de Aplicação de SIG Cresce a cada dia, o número de problemas onde os SIGs são empregados. Tradicionalmente, estes sistemas têm sido utilizados por instituições públicas, empresas de prestação de serviço de utilidade (ex. companhias de água, luz e telefone), na área de segurança militar e em diversos tipos de empresas privadas (ex.: engenharia civil, terraplanagem). A seguir, é apresentada uma relação das diversas áreas de aplicação, divididas em cinco grupos principais, segundo Ramirez [RAM 94]. Ocupação Humana - redes de infra-estrutura; planejamento e supervisão de limpeza urbana; cadastramento territorial urbano; mapeamento eleitoral; rede hospitalar; rede de ensino; controle epidemiológico; roteamento de veículos; sistema de informações turísticas; 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; gerenciamento de bacias hidrográficas; planejamento de barragens; cadastramento de propriedades rurais; levantamento topográfico e planimétrico; 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; gerenciamento costeiro e marítimo. Meio Ambiente - controle de queimadas; estudos de modificações climáticas; acompanhamento de emissão e ação de poluentes; gerenciamento florestal de desmatamento e reflorestamento. Atividades Econômicas - planejamento de marketing; pesquisas sócioeconômicas; distribuição de produtos e serviços; transporte de matériaprima. 2.4 Dados Georreferenciados Quatro aspectos caracterizam um dado georreferenciado: a) a descrição da entidade geográfica que cada dado representa; b) a localização geográfica da entidade que o dado representa; c) o relacionamento entre a entidade geográfica com outras entidades representadas no sistema; e d) o momento ou intervalo de tempo em que a entidade geográfica existe ou é válida. Em um SIG, a descrição da entidade geográfica é obtida através de atributos qualitativos e quantitativos, não-espaciais, como, por exemplo, nome e população de uma cidade. Estes atributos não possuem aspectos gráficos, podendo ser tratados por meio de sistemas de gerência de banco de dados (SGBD) convencionais. Já a localização geográfica é armazenada através de informações sobre sua forma geométrica e a posição da entidade geográfica em relação a um sistema específico de coordenadas geográficas. As relações de vizinhança espacial entre entidades geográficas são representadas por relacionamentos topológicos. Este aspecto requer a existência de modelos e métodos de acesso não-convencionais para sua representação em um banco de dados geográfico. O aspecto temporal descreve as características dos momentos ou períodos em que as entidades geográficas são válidas. Segundo Newell [NEW 92], o aspecto temporal em um SGBD pode incluir diversos tipos de medida de tempo (ex.: instante, intervalo de tempo) e vários tipos de relacionamentos envolvendo o tempo, como noções de antes, depois, durante, etc. Desta forma, é possível obter informações sobre quem é a entidade geográfica, onde está localizada, qual o relacionamento com outras entidades e em que momento ou período de tempo a entidade é válida. Normalmente, dentro de um SIG, estes aspectos são classificados em duas categorias de dados [OOI 90]. São elas: dados convencionais - atributos alfanuméricos usados para armazenar os dados descritivos e temporais das entidades

10 18 19 geográficas; e dados espaciais - atributos que descrevem a geometria, a localização geográfica e os relacionamentos com outras entidades geográficas. Além disso, um SIG pode possuir dados pictórios, que armazenam imagens sobre regiões geográficas (ex.: fotografia de uma cidade ou uma imagem de satélite). 2.5 Vocabulário em Banco de Dados Geográfico Neste trabalho, o termo banco de dados geográfico é utilizado para referenciar o componente responsável pelo armazenamento dos dados em um SIG, que não precisa ser, necessariamente, um SGBD. O conjunto de definições apresentadas a seguir foi proposto pelo US National Digital Cartographic Standart e foram extraídas de [NCG 90]. Neste trabalho 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 cartográficas é o símbolo usado para representar entidades/objetos no mapa. Entidade - É qualquer fenômeno geográfico da natureza, ou resultante da ação direta do homem, que é de interesse para o domínio da aplicação. Objeto - É a representação digital de uma entidade, ou parte dela. A representação digital varia de acordo com a escala utilizada. Por exemplo, um aeroporto pode ser representado por um ponto, uma linha 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 de entidades semelhantes. Tipo de Objeto Espacial - Cada tipo de entidade em um banco de dados geográfico é representado de acordo com um tipo de objeto espacial apropriado. A Tabela 2.1 mostra os tipos básicos dos objetos espaciais definidos pelo US National Digital Cartographic Standart, classificados segundo suas dimensões espaciais. Classe de Objeto - Descreve um conjunto de objetos que representam um conjunto de entidades de mesmo tipo. Por exemplo, o conjunto de pontos que representam um conjunto de 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 ou o diâmetro de um duto. Valor de Atributo - Valor associado ao atributo. (ex.: nome da cidade = 'Recife', diâmetro do duto = 1 ½"). Camada (layer) - Os objetos espaciais, em um banco de dados geográfico, podem ser agrupados e dispostos em camadas. Normalmente, uma camada contém um único tipo de entidade ou entidades de tipos relacionados a um tema comum (ex.: uma camada pode representar somente as rodovias de uma região ou pode representar também as ferrovias). 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 Tabela Tipos básicos de objetos espaciais [NCG 90]

11 20 21 Campos que fazem uso substancial dos sistemas automatizados de informações espaciais: arqueologia, engenharia civil, engenharia florestal, ciências agrárias, paisagismo e planejamento urbano. Campos que fornecem linhas gerais sobre informação: direito e economia. 3 Aspectos Tecnológicos em Geoprocessamento 3.1 Geoprocessamento O termo Geomatics, usado em alguns países (ex.: Canadá), é um termo "guarda-chuva" que engloba toda ciência ou tecnologia relacionada a cadastro, levantamento, mapeamento, sensoriamento remoto e SIG [BEA 95]. Geomatics é definido como 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 [GEO 95]. No Brasil, o termo equivalente para Geomatics seria Geoprocessamento, que é uma área de conhecimento que envolve diversas disciplinas como, por exemplo, Cartografia, Sensoriamento Remoto, Geodésia, Fotogrametria, Geologia e Ciência da Computação. Segundo Ramirez [RAM 94], o termo sistema de geoprocessamento engloba todos os sistemas computacionais capazes de processar dados georreferenciados, tais como os sistemas de cartografia automatizada (CAC), sistemas de processamento de imagens, sistemas de gerenciamento de redes de infra-estrutura, sistemas de apoio a projeto (CAD) e, principalmente, os SIGs. No Brasil, os termos sistemas de geoprocessamento e sistemas de informações geográficas têm sido utilizados, de maneira equivocada, como sendo sinônimos. Laurini relaciona um conjunto de disciplinas e campos de estudo, associados com o tratamento da informação geográfica [LAU 92]. São eles: Disciplinas que desenvolvem conceitos para tratar com o espaço: ciências cognitivas, geografia, lingüística e psicologia. Campos que desenvolvem ferramentas práticas e instrumentos para obter ou trabalhar com dados espaciais: cartografia, geodésia, fotogrametria e sensoriamento remoto. Disciplinas que fornecem formalismos e teorias para tratar com espaço e automação: ciência da computação, geometria, inteligência artificial e estatística. 3.2 Fundamentos em Cartografia Esta seção descreve os conceitos básicos da área de cartografia, que estão fortemente relacionados com a tecnologia de geoprocessamento Conceito de mapa Segundo Oliveira [OLI 93], a palavra mapa, que é de origem cartaginesa, significava "toalha de mesa". Os antigos comerciantes e navegadores, negociavam suas rotas de viagem desenhando diretamente sobre toalhas (mappas), dando origem ao termo. Tradicionalmente, os mapas têm sido a principal fonte de dados para os SIGs. Um mapa é uma representação, em escala e sobre uma superfície plana, de uma seleção de características sobre ou em relação à superfície da terra [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 pode conter milhares de informações que são 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 e localizar áreas de terras improdutivas); ou mesmo como objeto decorativo (ex.: mapas turísticos). A confecção de um mapa requer, entre outras coisas, a seleção das características a serem incluídas no mapa, a classificação dessas características em grupos, sua simplificação para representação, a ampliação de certas características para melhor representa-las no mapa, e a escolha de símbolos para representar as diferentes classes de características [ARO 89]. Existem diversos tipos de mapas. Os mapas topográficos têm sido tradicionalmente elaborados com o objetivo de atender a uma infinidade de propósitos, enquanto que os mapas temáticos são elaborados com objetivos mais específicos, por conter informações sobre um único assunto, por exemplo, para representar o relevo, a vegetação ou a hidrografia de uma determinada região [BUR 86].

12 Escala A escala de um mapa é a razão entre as distâncias representadas no mapa e suas correspondentes distâncias no mundo real. Por exemplo, em um mapa de escala 1:50.000, 1cm 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 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 fenômenos geográficos podem ser representados como, por exemplo, tipos de solos, limites municipais e rodovias. Os termos grande ou pequena, atribuído a uma escala, são definições não muito precisas, podendo variar de acordo com o ambiente da aplicação [OLI 93]. Por exemplo, uma escala 1: pode ser considerada pequena para uma aplicação de planejamento urbano ou grande em uma aplicação de gerenciamento ambiental Sistemas de Coordenadas Os sistemas de coordenadas permitem definir a localização de qualquer elemento sobre a superfície terrestre. Eles estão divididos em dois grandes grupos: sistemas de coordenadas geográficas (ou terrestres) e sistemas de coordenadas planas (ou cartesianas) [CAM 96]. Todo mapa é confeccionado com base em um sistema de coordenadas. Nos sistemas de coordenadas geográficas, cada ponto é definido através do par de coordenadas referente à interseção de um meridiano com um paralelo. Os meridianos são círculos da esfera terrestre que passam pelos Pólos Norte e Sul, enquanto que os paralelos são círculos da esfera terrestre cujos planos são perpendiculares ao eixo dos Pólos Norte-Sul. Os meridianos são medidos em longitude a partir do meridiano de Greenwich, escolhido arbitrariamente como sendo o meridiano de origem, com valores variando de 0º de longitude (na origem) até +180º de longitude a leste e -180º de longitude a oeste. O paralelo do Equador divide a Terra nos hemisférios norte e sul, definindo as medidas de latitude como sendo 0º no paralelo do Equador, +90º no Pólo Norte e -90º no Pólo Sul. Nos sistemas de coordenadas geográficas as localizações são, portanto, definidas a partir das coordenadas de latitude (distância em graus do ponto até o paralelo do Equador) e longitude (distância em graus do ponto até o meridiano de Greenwich). Os sistemas de coordenadas planas são baseados em um par de eixos perpendiculares, onde a interseção dos eixos representa a origem para a localização de qualquer ponto sobre o plano. Nestes sistemas, as coordenadas dos pontos são representadas por um par de valores (x,y) representando a projeção do ponto sobre cada um dos eixos. Normalmente, o eixo horizontal fica associado à medida de longitude enquanto que o eixo vertical fica associado à medida de latitude, o que permite conversões entre os sistemas de coordenadas, a partir de transformações matemáticas Projeções Cartográficas A superfície curva da terra é representada em mapas, que normalmente são confeccionados sobre uma folha de papel, ou seja, sobre uma superfície plana, o que, inevitavelmente, provoca distorções entre a realidade e sua representação. Projeção é o 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]. Algumas das projeções mais empregadas são: projeção cônica de Lambert, projeção UTM ( Universal Transverse Mercator ) e projeção plana. No Brasil existe um mapeamento sistemático realizado pelo Serviço de Cartografia do Exército, feito na projeção UTM, nas escalas de 1: , 1: e 1: [CAM 96]. 3.3 Fundamentos em Sensoriamento Remoto Segundo Lillesand, sensoriamento remoto é definido como a ciência e a arte de se obter informações sobre objetos, áreas ou fenômenos, através da análise dos dados adquiridos por um dispositivo que não esteja em contato com o objeto, área ou fenômeno sob investigação [LIL 87]. A área de sensoriamento remoto trata os aspectos ligados à captura, armazenamento, análise e interpretação de dados obtidos através de sensores remotos. Por ser uma área intimamente relacionada com a área de SIG, esta seção descreve alguns fundamentos que permitem uma melhor visão dos mecanismos de obtenção de dados para as aplicações geográficas Princípios Básicos O processo de obtenção de dados através do sensoriamento remoto utiliza sensores para se obter dados, de forma remota, que podem ser analisados para gerar

13 24 25 informações sobre as áreas observadas [LIL 87]. Existem diversas formas de captura de dados através de sensores remotos como, por exemplo, através da distribuição de ondas acústicas. Porém, no contexto de SIG, apenas as técnicas empregadas pelos sensores de energia eletromagnética são importantes. Estes sensores normalmente são operados a partir de veículos aeroespaciais. Os materiais que estão sobre a superfície terrestre refletem a energia eletromagnética proveniente de fontes naturais (ex.: sol) ou de fontes artificiais (ex.: lâmpadas), que é captada por dispositivos sensores. Os sensores eletromagnéticos podem ser divididos em dois grandes grupos: passivos e ativos. Sensores passivos medem a energia existente no ambiente, enquanto que os sensores ativos geram sua própria fonte de energia. O exemplo mais comum de sensor passivo é a fotografia. Câmaras fotográficas captam e registram a reflexão da luz solar a partir dos materiais fotografados. Existem sensores passivos que captam outros tipos de energia, como os sensores de microondas. Um exemplo de sensor ativo é a câmara fotográfica acoplada a um flash, porém, em aplicações ambientais o melhor exemplo é o radar. O sistema de radar emite energia na região de microondas do espectro eletromagnético (Figura 3.1) e capta a energia refletida pelos materiais que estão sobre a superfície terrestre [EAS 95] (µm) visível comprimento de onda (µm) (1mm) raios cósmicos azul ver ver ultravioleta(u.v.) infravermelho (i.v.) de me lho raio X u.v (1m) sist. radar i.v. médio microonda tv e rádio i.v. próximo Figura Espectro eletromagnético [LIL 87] Segundo Amaral [AMA 90], os materiais apresentam comportamentos distintos ao longo do espectro eletromagnético para diferentes atributos (emissividade, reflectância, absortância, transmissividade, luminescência, etc). Desta forma, sensores operando em diferentes intervalos espectrais (sensores multi-espectrais) são capazes de discriminar determinados objetos ou fenômenos sobre/sob a superfície terrestre. O espectro eletromagnético é muito amplo e nem todos os comprimentos de onda são adequados para fins de sensoriamento remoto. Por exemplo, os intervalos de comprimento de ondas verde, vermelho (visíveis) e também o infravermelho (Figura 3.1) apresentam baixa interferência atmosférica, possibilitando uma boa oportunidade para medir as interações com a superfície terrestre. A maioria das imagens produzidas via sensoriamento remoto para aplicações relacionadas com SIG são obtidas nestes intervalos [LIL 87] Formas de Sensoriamento Remoto Um dos métodos pioneiros de sensoriamento remoto é a obtenção de fotografias aéreas tiradas de aviões transportando câmaras fotográficas especialmente instaladas para este fim [AMA 90]. Fotografias aéreas podem ser utilizadas de duas formas: como imagens de fundo sobre as quais são apresentadas outras informações; ou como fonte de dados, auxiliando a entrada de dados via digitalização (ver seção 3.4). Antes de serem utilizadas, as fotografias aéreas necessitam passar pelo processo de ortorretificação, para corrigir as distorções decorrentes do relevo da área fotografada [WOL 83]. O cálculo de medidas acuradas e a confecção de mapas a partir de fotografias aéreas são atribuições da área de Fotogrametria. Outro método de sensoriamento remoto, de grande importância no processo de captura de captura de dados para SIG, é a obtenção de imagens digitais a partir de sensores transportados por satélites colocados em órbitas terrestres. Segundo Câmara [CAM 96], existem diversas propriedades básicas para um sensor eletromagnético. As principais são: resolução espectral - número de bandas do espectro eletromagnético que são captadas pelo sensor. resolução espacial - área da superfície terrestre observada pelo sensor. resolução temporal - intervalo de tempo entre duas tomadas de imagens. A Tabela 3.1, adaptada de [CAM 96], mostra as características de alguns satélites cujos dados são recebidos no Brasil. SATÉLITE RESOLUÇÃO ESPECTRAL RESOLUÇÃO ESPACIAL RESOLUÇÃO TEMPORAL LANDSAT-TM 7 30m 16 dias SPOT-PAN 1 10m 26 dias METEOSAT m 30 minutos ERS 1 25m 25 dias TIROS/NOAA m 6 horas Tabela Características básicas dos satélites É importante ressaltar que os dados capturados pelos sensores remotos são dados brutos e, portanto, necessitam ser trabalhados antes de serem utilizados em aplicações de SIG. Por exemplo, uma imagem de satélite retratando a cobertura

14 26 27 vegetal de uma área pode ser resultado de diversas operações envolvendo dados capturados em mais de uma banda espectral. Os sistemas de processamento de imagens são softwares desenvolvidos para resolver problemas específicos de tratamento de imagens obtidas remotamente, sendo que alguns SIGs possuem módulos acoplados que permitem ao usuário realizar um conjunto, normalmente limitado, de operações envolvendo imagens de satélite. 3.4 Fontes de Dados Geográficos 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 que estão distribuídos geograficamente, como rios, montanhas, ruas e lotes. 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 [ROD 90]. 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. Os dados manipulados em um SIG, dizem respeito a entidades ou fenômenos geográficos que estão distribuídos sobre a superfície da terra (ou acima e abaixo dela), 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 existem 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 do tipo fotogrametria, sensoriamento remoto e levantamento de campo, ou seja, os mesmos que vêm sendo empregados há muito tempo em diversas outras áreas. Com isto, os produtos resultantes desses processos de coleta de dados é que são as verdadeiras fontes de dados dos SIGs [ROD 90]. Os SIGs possuem dispositivos de interface que permitem que esses dados sejam transferidos para um meio de armazenamento digital. 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 deverão ser cada vez mais utilizados como tecnologia de coleta de dados geo-espaciais [ANT 91]. 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 realizadas como, por exemplo, a associação entre os objetos espaciais e atributos descritivos, operações para corrigir e padronizar os dados com relação a projeções, escalas e sistemas de coordenadas [PAR 94]. 3.5 Qualidade dos Dados Geográficos Dados com erros podem surgir nos SIGs, 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 a cada informação espacial presente no SIG. 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 possuam algum erro, 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 esteja acurada [NCG 90]. Segundo Faiz [FAI 94], erros são inerentes aos dados espaciais, mas o importante é que o usuário esteja consciente da natureza e da importância do erro. A acurácia dos dados é crucial para que os usuários confiem no sistema. Dados com erros significativos podem afetar o resultado de análises por diversos anos antes de serem descobertos [GRU 92]. A qualidade dos dados geográficos pode ser medida a partir da análise dos seguintes componentes [ASP 96]: acurácia posicional, acurácia dos atributos, consistência lógica, completeza de informações, fator tempo e histórico do processo de obtenção dos dados. Estes componentes foram definidos pelo DCDSTF - US National Committee Digital Cartographic Data Standards Task Force e foram incluídos no padrão americano para intercâmbio de dados espaciais (DCDSTF,1988 Apud [CHR 91]).

15 28 29 pequenas (ex.: 1: ), os pontos podem representar a localização de cidades no mapa Linha 4 Componentes de SIG Os SIGs 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 SIGs, embora alguns ainda utilizem sistemas de arquivos para fazer o gerenciamento dos dados. Com o objetivo de encontrar soluções adequadas para o problema do gerenciamento de dados georreferenciados, muitas pesquisas têm sido realizadas por parte da comunidade de banco de dados, sob os temas de banco de dados espaciais e geográficos [SCH 91], [BAY 92], [HER 92], [FRA 92], [GUN 93], [MED 94]. Atualmente, a arquitetura mais empregada na construção dos SIGs é a que utiliza um sistema dual, onde o SIG é composto de um SGBD relacional, responsável pela gerência dos atributos descritivos, acoplado a um componente de software responsável pelo gerenciamento dos atributos espaciais [CAM 96]. 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 e rios. As linhas também são usadas, juntamente com os pontos, para representar estruturas em rede (Figura 4.1), que são usadas em aplicações de controle de utilidades públicas (ex.: luz, telefone, gás e água), em redes viárias (ex.: malha rodoviária e ferroviária), em redes naturais (ex.: hidrográfica), etc. LEGENDA transformador usina consumidor Neste capítulo são apresentados os principais componentes presentes em um SIG. Inicialmente, são descritos os tipos de objetos espaciais que possibilitam a representação das entidades em um banco de dados geográfico, bem como seus relacionamentos. São apresentados conceitos básicos dos modelos de dados geográficos e uma arquitetura genérica de SIG. Figura Entidades de uma rede elétrica torre poste linha de transmissão 4.1 Objetos Espaciais Um objeto espacial é a representação, no banco de dados geográfico, de uma entidade do mundo real. A seguir é descrito como os objetos primitivos do tipo ponto, linha, polígono e superfície, são usados para representar as diferentes entidades da realidade geográfica 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, 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 já são usados para representar a localização de escolas, hospitais, prédios públicos, etc. Em escalas bem Os atributos das entidades pertencentes a uma rede podem estar relacionados aos nós ou às ligações. Como exemplo de atributos de ligações, pode-se citar: sentido do tráfego em uma rua, distância entre duas cidades, diâmetro de uma tubulação, ou voltagem da rede elétrica. Como atributos associados aos nós, 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 das quais se deseja uma representação bidimensional no SIG são representadas no banco de dados por objetos do tipo polígono. Os limites das entidades podem ter sido definidos originalmente pelos próprios fenômenos, como os limites de um lago, ou podem ter sido criados pelo homem, como os limites de um município ou uma área de proteção ambiental.

16 30 31 Quanto à distribuição no espaço, as entidades podem ser representadas de três formas distintas: Polígonos isolados com possibilidade de sobreposição - Como exemplo tem-se um mapa contendo as áreas utilizadas para cultivo de cana-de-açúcar nas últimas quatro décadas (Figura 4.2a). Polígonos adjacentes com topologia - Neste caso cada posição no mapa deve pertencer a exatamente uma única entidade, ou estar na divisa entre as entidades. Um exemplo pode ser um mapa de propriedades rurais (Figura 4.2b). Polígonos complexos - Uma entidade pode possuir regiões vazias ("buracos") ou mesmo outras entidades completamente inseridas dentro da sua área (Figura 4.2c). Alguns sistemas permitem que uma entidade possa ser representada por um objeto composto por mais de uma polígono, porém com um único conjunto de atributos descritivos, como é o caso do ARC- INFO [NCG 90]. A representação dos objetos do tipo polígono, segundo as diferentes visões quanto à distribuição no espaço, depende do modelo de dados suportado pelo sistema. Segundo Burrough [BUR 86], a variação dos valores da elevação sobre uma área pode ser modelada de diversas maneiras. Modelos de elevação digital, ou modelos numéricos de terreno (MNT) podem ser representados tanto por superfícies definidas matematicamente (ex.: séries de Fourier) ou através de imagens de pontos/linhas. Uma das representações baseadas em imagens de pontos é a matriz de altitude, onde os dados são definidos em intervalos regulares de pontos. Esta abordagem tem a desvantagem de introduzir dados redundantes, quando a área observada possui comportamento estável, e pode haver insuficiência de informações em regiões muito acidentadas. 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 áreas. 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. Cada linha possui um valor Z correspondente à cota representada pela linha (a) (b) Dentro de um SIG, os dados referentes à elevação podem ser convertidos de um modelo para outro, podendo ocorrer perdas de informações, reduzindo os detalhes da superfície topográfica [ARO 89]. Projeções tridimensionais de superfícies contínuas podem ser usadas para permitir uma melhor visualização do relevo da área observada. A B D 4.2 Relacionamentos Espaciais C D E (c) Figura Distribuição espacial de entidades do tipo polígono Os objetos em um banco de dados geográfico representam entidades do mundo real através do armazenamento de seus atributos (espaciais e descritivos) e dos relacionamentos existentes entre estas entidades. A grande vantagem de um SIG está em possibilitar operações de análise espacial sobre os dados armazenados. Para tanto faz-se necessária a manutenção dos diferentes tipos de relacionamentos envolvendo os objetos espaciais Representando Fenômenos Geográficos através de Superfícies Alguns fenômenos da natureza, como elevação de terreno, pressão atmosférica, temperatura, densidade populacional, entre outros, são caracterizados por possuírem variação contínua no espaço. Existe uma grande variedade de possíveis relacionamentos entre entidades distribuídas geograficamente sobre a superfície terrestre. Alguns podem ser mantidos através de estruturas de dados dos SIGs como, por exemplo, os relacionamentos de conectividade (entre segmentos e nós de uma rede) e de adjacência (entre polígonos), enquanto que outros são calculados durante a execução das operações de análise espacial como, por exemplo, o relacionamento de continência entre um ponto e uma polígono.

17 32 33 Entidades da realidade podem se relacionar de diversas formas. 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 tipos distintos (ex.: bairros localizados num raio de 10 Km de um centro de atendimento emergencial). Os relacionamentos entre entidades são representados no banco de dados geográfico por relacionamentos entre objetos. Segundo Peuquet [PEU 84], existem três tipos de relacionamentos entre objetos espaciais, são eles: 1) Relacionamentos de objetos complexos - Relacionamentos usados para a construção de objetos compostos por outros objetos mais simples. Por 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 implícitos - Relacionamentos que podem ser calculados a partir das coordenadas espaciais dos objetos. Exemplos são: se duas linhas se cruzam; se um ponto está dentro de uma área; ou se duas áreas estão sobrepostas. 3) Relacionamentos explícitos - Relacionamentos que precisam ser fornecidos no momento da entrada dos dados. O sistema deve prover estruturas de dados capazes de manter estas informações. Por exemplo, duas linhas podem se cruzar, mas as rodovias representadas por elas podem não estar conectadas devido à existência de uma passagem elevada (um viaduto) Exemplos de Relacionamentos entre Entidades Geográficas Em [NCG 90], são listados alguns exemplos de relacionamentos que podem ocorrer entre entidades geográficas, e consultas que poderiam ser solucionadas através do armazenamento destes 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 trecho de 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. e) Relacionamentos entre linha-área "cruza" - identifique todas as linhas de ônibus que passam por um determinado bairro. "limites/fronteira" - quais os estados, cujo rio Paraná faz parte da divisa. f) Relacionamentos entre áreas "sobrepõe" - verifique quais as áreas de incidência de dengue que se sobrepõem a áreas 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 Conceito de Topologia 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.: ângulo e distância), enquanto outras permanecem inalteradas (ex.: adjacência e pertinência). Estas propriedades que não se alteram quando o mapa sofre uma transformação são conhecidas como propriedades topológicas [KEM 92]. O termo topologia é atribuído aos relacionamentos espaciais mantidos nos bancos de dados geográficos. 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]. Bancos de dados cartográficos são usados em muitos pacotes de confecção de mapas, onde as operações de análise são menos importantes do que as funções que auxiliam na elaboração de mapas como posicionamento de rótulos, bibliotecas de símbolos cartográficos, etc.

18 34 35 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 Processo de Construção da Topologia (Building Topology) [LAU 92]. O processo de construção da topologia é usado também, na fase de identificação dos objetos em um mapa a partir de 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. As regras de Restrições Planar são as seguintes: Regra 1: Dois objetos do tipo área não podem se sobrepor. Regra 2: Cada posição no mapa pertence a uma única área, ou a um limite entre áreas adjacentes. De forma bastante genérica, o processo de construção da topologia começa com um conjunto de segmentos de linhas não relacionados (Figura 4.3a). Cada interseção de linhas ou nodo terminal é identificado (Figura 4.3b). Em seguida, cada segmento de linha existente entre dois nós consecutivos (arestas) é identificado (numerado na Figura 4.3c). Finalmente, cada polígono resultante recebe um identificador (uma letra na Figura 4.3c), inclusive o polígono externo que pode receber um identificador diferenciado. 4.3 Modelos de Dados Geográficos Segundo Burrough [BUR 95], os SIGs e seus modelos de dados geográficos devem refletir a maneira como as pessoas vêem o mundo. Um dos princípios filosóficos da percepção humana dos fenômenos geográficos é que a realidade é composta de entidades exatas e de superfícies contínuas. Para Goodchild [GOO 92], a realidade geográfica pode ser observada segundo duas visões: de campo e de objetos. Na visão de campo, a realidade é modelada por variáveis que possuem uma distribuição contínua no espaço. Toda posição no espaço geográfico pode ser caracterizada através de um conjunto de atributos como, por exemplo, temperatura, tipo de solo e relevo, medidos para um conjunto de coordenadas geométricas no espaço Euclidiano. Entidades independentes no mundo real podem ser modeladas mas não existirem no banco de dados de forma independente [GOO 93]. Por exemplo, uma região com um determinado tipo de solo só existe em função da escala e da classificação de solos utilizada. Na visão de objetos a realidade consiste de entidades individuais, bem definidas e identificáveis. Cada entidade tem suas propriedades e ocupa um determinado lugar no espaço. A realidade é modelada como um grande espaço onde entidades estão distribuídas sem que necessariamente todas as posições do espaço estejam ocupadas. Além disso, duas ou mais entidades podem estar situadas sobre uma mesma posição geográfica. (a) (b) Na visão de objetos, as entidades geográficas são representadas espacialmente por objetos geométricos (ou objetos espaciais) do tipo ponto, linha e polígono. Na realidade, segundo Worboys [WOR 95], uma entidade geográfica possui quatro categorias de dimensão ao longo das quais os atributos são medidos: espacial, gráfica, temporal e textual/numérica C B 12 5 E A D (c) Figura Processo de construção da topologia [NCG 90] Por exemplo, um objeto cidade poderia ter os seguintes atributos: um polígono representando os limites municipais (objeto espacial); um polígono e um ponto representando sua forma cartográfica em diferentes escalas (objetos gráficos); data de emancipação do município e data em que os dados da cidade foram incluídos no sistema (objetos temporais); e atributos descritivos como nome e população (objetos textuais/numéricos). É importante ressaltar a diferença entre os conceitos de objeto espacial, objeto gráfico e objeto georreferenciado. Um objeto georreferenciado representa, no sistema, uma entidade geográfica existente na realidade (ex.: objeto estrada). Um objeto espacial armazena a forma geométrica da entidade geográfica (ex.: as coordenadas de uma linha correspondendo ao traçado da estrada). Por outro lado, um objeto gráfico é

19 36 37 uma forma de apresentação de um objeto espacial (ex.: uma linha dupla representando que a entidade é uma estrada de duas vias). Portanto, um objeto georreferenciado possui uma localização espacial que pode ser representada por um ou mais objetos espaciais, dependendo da escala utilizada. Como será mostrado na seção 6.3, muitos modelos propõem, de forma equivocada, a modelagem de objetos geográficos como especializações dos objetos espaciais, herdando suas propriedades. Porém, como pode ser visto, um objeto estrada não deve herdar as propriedades de um objeto linha, pois uma estrada não é uma linha, mas sim, um objeto complexo que possui diversos atributos dos quais um ou mais são objetos espaciais. Segundo Câmara [CAM 96], de uma forma abrangente, um SIG apresenta os seguintes componentes: interface com usuário; entrada e integração de dados; funções de processamento; visualização e plotagem; e armazenamento e recuperação de dados. Estes componentes estão organizados segundo a hierarquia de módulos da Figura 4.5, onde a interface com usuário permite a este operar e controlar todo o sistema. Existem três tipos de interfaces que são utilizadas nos SIGs: linguagem de comandos, menus hierárquicos e sistemas de janelas. Estes tipos de interfaces acompanham a evolução das técnicas empregadas em sistemas de informações em geral. O projeto de um banco de dados geográfico é realizado em diversas etapas, com base em modelos que utilizam diferentes níveis de abstração. Os modelos de dados empregados no projeto de aplicações geográficas estão descritos detalhadamente na Parte II. Entrada e Integr. Dados Interface Funções de Processamento Visualização e Plotagem 4.4 Arquitetura Genérica de SIG Segundo Antenucci [ANT 91], os SIGs constituem-se na integração de três aspectos distintos da tecnologia computacional (Figura 4.4): 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. Capacidades Gráficas Gerenciamento de Banco de Dados SIG Ferramentas para Análise Espacial Figura Aspectos tecnológicos de SIG [ANT 91] Os SIGs disponíveis atualmente apresentam funcionalidades bastante distintas, dependendo do tipo de aplicação em que são utilizados [MAG 91]. Alguns produtos são comercializados em módulos separados, de acordo com as necessidades específicas dos clientes, como o sistema MGE da INTERGRAPH. Módulos para processamento de imagens de satélite, para operações com modelos numéricos de terreno (MNT) ou para gerenciamento de redes de infra-estrutura, podem, ou não, estar disponíveis no sistema. Porém, existe um conjunto de componentes que são comuns à maioria dos sistemas. Armazenamento e Recuperação BD Geográfico Figura Componentes de um SIG [CAM 96] O componente responsável pela entrada e integração de dados possibilita a captura dos dados sobre as entidades geográficas através de diversas formas disponíveis (ex.: leitura ótica, digitalização de mapas ou aquisição via meio magnético). Os métodos de aquisição de dados disponíveis são descritos na seção 4.5. O componente responsável pelo armazenamento e recuperação de dados geográficos provê as estruturas de dados que possibilitam a compactação de imagens, armazenamento de relacionamentos espaciais (topologia), acesso aos dados através de índices espaciais, etc. Alguns SIGs foram construídos com base em sistemas de arquivos internos (ex.: Idrisi), porém, existe uma forte tendência na utilização de SGBDs estendidos para realizar o gerenciamento dos dados [FRA 88]. Aspectos de banco de dados geográficos estão descritos na seção 4.6. O conjunto das funções de processamento é o componente que mais se diferencia de sistema para sistema, porém, existe um grande número de funções que são comuns a esses sistemas. Aspectos funcionais de SIG são tratados na seção 4.7.

20 38 39 A maioria dos dados gerados por uma aplicação de SIG são apresentados na forma de mapas. Desta maneira, um SIG deve prover funções que são equivalentes àquelas dos sistemas de cartografia automatizada, como colocação automática de rótulos, descrição de legendas e escalas gráficas, entre outras. 4.5 Métodos de Aquisição de Dados Os métodos mais utilizados na aquisição de dados são: a digitalização manual; a digitalização automática feita através de leitura ótica por meio 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) [ARO 89]. Estes métodos permitem a transferência dos dados obtidos através dos mecanismos de captura como levantamento de campo, sensoriamento remoto e imagens de satélites, para a base de dados dos SIGs Digitalização 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, 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 desse processo depende da qualidade do software de digitalização e da experiência do operador. Além da digitalização de pontos, outras tarefas também são realizadas, como o ajuste de nós, construção da topologia e identificação de objetos. Digitalização é uma tarefa cansativa, normalmente consome muito tempo e pode apresentar com freqüência erros. Por isso, os softwares de digitalização fornecem mecanismos que auxiliam o operador a identificar e corrigir os possíveis erros introduzidos Digitação 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 GPS Outro meio de aquisição de dados que tem sido 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 e com o registro dos dados podendo ser realizado diretamente em meio digital Arquivo Digital Segundo Aronoff [ARO 89], o custo inicial de construção da base de dados é, normalmente, um dos principais componentes do custo total de implantação de um SIG. Para diminuir este custo, a tendência atual tem sido o compartilhamento de dados geo-espaciais disponíveis em meio digital. Diversos padrões de armazenamento de dados têm sido adotados para possibilitar a troca de informações espaciais como, por exemplo, o padrão americano SDTS (Spatial Data Transfer Specification), o padrão inglês NTF (National Transfer Format) e o padrão canadense SAIF (Spatial Archive and Interchange Format) [WOR 95]. 4.6 Estruturas de Armazenamento de Dados Espaciais Dados espaciais podem ser estruturados de diversas formas, porém, existem duas abordagens que são amplamente utilizadas na estruturação dos componentes espaciais associados às informações geográficas: a estrutura matricial ( raster ) e a estrutura vetorial (Figura 4.6) Leitura Ótica O método de leitura ótica, através de dispositivos de varredura ("scanner"), permite a criação de imagens digitais a partir da movimentação de um detetor eletrônico sobre um mapa. É um processo bem mais rápido que a digitalização, mas não é adequado a todas as situações. Para ser lido por um "scanner", um mapa deve 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 [NCG 90].