NOÇÕES DE GEOPROCESSAMENTO. Módulo 2

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1 NOÇÕES DE GEOPROCESSAMENTO Módulo 2

2 Sistema Metropolitano de Informações Georreferenciadas MetroGeo Curso Noções de Geoprocessamento Módulo 2 Oscar Ricardo M. Schmeiske

3 Programação Curso Noções de Geoprocessamento Módulo 1 Conceituação Histórico CAD, mapeamento eletrônico e SIG Software,Hardware e Recursos Humanos Métodos e Procedimentos Dados Espaciais Módulo 2 Estrutura de Dados Geográficos Banco de Dados Geográficos Módulo 3 Desenvolvimento de aplicativos Aplicações de SIG na gestão municipal Módulo 4 Implementação do SIG

4 Estrutura de Dados Geográficos A base de dados dos SIG é uma coleção estruturada de dados digitais espaciais que têm como característica básica o fato de serem compostos por duas componentes distintas: Gráfica (mapas): descreve a localização, as feições geográficas e os relacionamentos espaciais entre as feições, ou seja, a descrição gráfica do objeto como simbolizado num mapa. Pode incluir coordenadas, códigos e símbolos que irão definir os elementos cartográficos específicos de um mapa; e Não-Gráfica, ou alfanumérica (tabelas): descreve os fatos e fenômenos, sociais e naturais, representados no mapa; também chamada textual ou atributiva, representa as características, qualidades, ou relacionamentos de feições na representação Cartográfica.

5 Estrutura de Dados Geográficos Os dados usados em SIG representam algum fenômeno acerca do mundo real, em uma dada época, correspondendo a uma abstração da realidade. É importante determinar quais os dados que são realmente relevantes para a aplicação a que se destinam, pois o processo de coleta é caro e o excesso de informações dificulta a utilização dos dados que realmente interessam.

6 Estrutura de Dados Geográficos As componentes gráficas e não-gráficas dos dados espaciais têm características distintas, por isso exigem técnicas particulares para se otimizar o seu gerenciamento. Em grande parte dos programas de SIG, as duas componentes ficam armazenadas em bases de dados distintas, em que os dados gráficos são manuseados diretamente pelo programa de SIG e os não-gráficos são gerenciados por Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados (SGBD) convencionais. A integração entre as duas componentes dos dados espaciais é uma característica básica dos SIG e se dá através de códigos comuns aos registros nas duas bases, chamados geocódigos. A tendência atual dos programas de SIG é utilizar o conceito de Geodado, não fazendo mais distinção entre a componente gráfica e tabular, que são armazenadas conjuntamente numa mesma base de dados.

7 Estrutura de Dados Geográficos Integração e interoperabilidade entre fontes de dados geográficos Uso de metadados Metadados são dados sobre os dados, descrevem o conteúdo, condição, histórico, localização e outras características do dado. O objetivo do seu uso é ter um mecanismo para identificar qual dado existe, a sua qualidade, como acessá-lo e usá-lo. Assim, os metadados tratam a interoperabilidade em nível de gerenciamento da informação, facilitando a recuperação de uma informação contida em um banco de dados.

8 Estrutura de Dados Geográficos Dados Uso de ontologias O grande fator limitante de conversão de dados são as diferenças de entendimento entre comunidades de usuários distintas. Diferentes visões da realidade geográfica sempre existirão por pessoas com culturas diferentes, pois a própria natureza é complexa e leva a percepções distintas. Neste caso seria interessante conviver com estas diferentes formas de conhecimento sobre a realidade e tentar criar mecanismos para implementar e combinar diferentes visões. A Ontologia é uma disciplina filosófica que vem desde o estudo feito por Aristóteles sobre as categorias e a metafísica, e pode ser definida como o estudo do Ser e de suas propriedades. Para a comunidade de Inteligência Artificial, ontologias são teorias que especificam um vocabulário relativo a um certo domínio e descrevem uma dada realidade usando o conjunto de premissas de acordo com o sentido intencional das palavras deste vocabulário.

9 Estrutura de Dados Geográficos Dados Estratégias para integração e interoperabilidade Quatro categorias principais : A abordagem mais simples consiste em definir catálogos de metadados e dicionários geográficos. A estratégia de federação assume que as fontes de dados mantêm autonomia, mas cooperaram para oferecer suporte a operações globais, que acessam dados em mais de uma fonte. A estratégia de armazém de dados (data warehouse) consiste em: (1) extrair os dados das diversas fontes; (2) transformar os dados extraídos para um modelo comum; (3) armazenar os dados transformados em um único repositório. A estratégia de mediação baseia-se em uma arquitetura de 3 níveis: camada de adaptação, de aplicação e de mediação. Estratégia híbrida combina a estratégia de armazém de dados com mediação.

10 Estrutura de Dados Geográficos O Open Geospatial Consortium O Open Geospatial Consortium é um consórcio com mais de 250 companhias, agências governamentais e universidades, criado para promover o desenvolvimento de tecnologias que facilitem a interoperabilidade entre sistemas envolvendo informação espacial e localização. Os produtos do trabalho do OGC são apresentados sob forma de especificações de interfaces e padrões de intercâmbio de dados.

11 Estrutura de Dados Geográficos

12 Estrutura de Dados Geográficos A INDE - Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais Decreto Nº de 27/11/2008 conjunto integrado de tecnologias; políticas; mecanismos e procedimentos de coordenação e monitoramento; padrões e acordos, necessário para facilitar e ordenar a geração, o armazenamento, o acesso, o compartilhamento, a disseminação e o uso dos dados geoespaciais de origem federal, estadual, distrital e municipal.

13 Estrutura de Dados Geográficos A INDE tem como principais objetivos: promover o adequado ordenamento na geração, armazenamento, acesso, compartilhamento, disseminação e uso dos dados geoespaciais; promover a utilização, na produção dos dados geoespaciais pelos órgãos públicos das esferas federal, estadual, distrital e municipal, dos padrões e normas homologados pela Comissão Nacional de Cartografia CONCAR; e evitar a duplicidade de ações e o desperdício de recursos na obtenção de dados geoespaciais, por meio da divulgação da documentação (metadados) dos dados disponíveis nas entidades e nos órgãos públicos das esferas federal, estadual, distrital e municipal.

14 Estrutura de Dados Geográficos Propósito: catalogar, integrar e harmonizar dados geoespaciais existentes nas instituições do governo brasileiro, produtoras e mantenedoras desse tipo de dado, de maneira que possam ser facilmente localizados, explorados e acessados para os mais diversos usos, por qualquer cliente que tenha acesso à Internet. Os dados geoespaciais serão catalogados através dos seus metadados. A disponibilização de dados, metadados e informações geoespaciais (IG) através de serviços na Internet, denominados Geo Serviços Web, é viabilizada pela utilização de protocolos internacionais, públicos, que permitem o acesso à IG de forma simples, ágil, completa e integrada, sem necessidade de conhecimento especializado. O acesso aos Geo Serviços da INDE se realiza através do portal denominado SIG Brasil.

15 Estrutura de Dados Geográficos Geo Network O GeoNetwork é um catálogo de metadados livre, de código aberto, distribuído, inicialmente, pela FAO/ONU. Customizado pelo IBGE Por estar aderente aos padrões adotados na INDE e por ser uma ferramenta de livre distribuição, o GeoNetwork é a ferramenta recomendada no plano de ação para a implantação da INDE para carga e gestão de metadados geográficos. Características: - a utilização de protocolos e ferramentas que permitem a implantação de uma rede distribuída de metadados entre diferentes nós participantes de uma rede; - a implementação de níveis de segurança, permitindo a definição de grupos e papéis e seus privilégios para a edição, consulta e disseminação de metadados; - uma interface globalizada, que permite o acesso aos metadados nos idiomas português-br, inglês e espanhol; - a recuperação dos metadados através de mecanismos de busca avançada, que permitem a busca por elementos como as categorias de informação (ex: Solos, Altimetria, Vegetação, etc), retângulo envolvente do produto documentado, palavra-chave, etc.; - a carga e exibição de metadados nos principais padrões internacionais: ISO-19115/191389, FGDC e Dublin-Core; - a adesão a padrões de serviços OGC (Open Geospatial Consortium).

16 Componentes SIG Base Dados Bases de Dados define onde os dados são armazenados

17 Componentes SIG Base Dados Banco de Dados proporciona segurança das informações armazenadas no banco de dados, mesmo em casos de queda de energia no sistema ou de tentativa de acessos desautorizados possibilita o compartilhamento dos dados diversos usuários impedindo possível resultados anômalos

18 Organização de Bancos de Dados Alfanuméricos O SIG explora os relacionamentos entre dados gráficos e não-gráficos. O método mais comum de se estabelecer estes relacionamentos é através do armazenamento de identificadores comuns a cada grupo. Estes indexadores podem ser códigos que os relacionem univocamente, chamados geocódigos. Ao processo de colocação de geocódigos, dá-se o nome de geocodificação.

19 Organização de Bancos de Dados Alfanuméricos A ligação entre as duas bases de dados pode ser feita, também, por meio da indicação da localização geográfica. Neste caso, inclui-se um campo, nos registros da base de dados não-gráficos, contendo o par de coordenadas que determina a localização do objeto. Este método é mais utilizado para dados pontuais.

20 BANCOS DE DADOS GRÁFICOS Componentes dos Dados Gráficos Os dados gráficos apresentam quatro componentes principais: posição geográfica - caracteriza a posição de um objeto em relação a um sistema de referência qualquer; atributos geométricos tem a finalidade de descrever os objetos geometricamente; tempo - referencia as informações geográficas a uma época ou período no tempo; relacionamentos espaciais ou topologia refere-se à posição de um objeto em relação aos demais que pode ser de: adjacência, conectividade, contingência, proximidade.

21 Existem basicamente duas principais formas de integração entre os SIGs e os SGBDs, que são a arquitetura dual e a arquitetura integrada. A arquitetura dual armazena as componentes espaciais dos objetos separadamente. A componente convencional, ou alfanumérica, é armazenada em um SGBD relacional e a componente Arquiteturas de SIGs espacial é armazenada em arquivos com formato proprietário. Os principais problemas dessa arquitetura são: Dificuldade no controle e manipulação das componentes espaciais; Dificuldade em manter a integridade entre a componente espacial e a componente alfanumérica; Separação entre o processamento da parte convencional, realizado pelo SGBD, e o processamento da parte espacial, realizado pelo aplicativo utilizando os arquivos proprietários; Dificuldade de interoperabilidade, já que cada sistema trabalha com arquivos com formato proprietário.

22 A arquitetura integrada consiste em armazenar todos os dados em um SGBD, ou seja, tanto a componente espacial quanto a alfanumérica. Sua principal vantagem é a utilização dos recursos de um SGBD para controle e manipulação de objetos espaciais, como gerência de transações, controle de integridade, concorrência e linguagens próprias de consulta. Sendo assim, a manutenção de integridade entre a componente espacial e alfanumérica é feita pelo SGBD.

23 Esta última arquitetura pode ainda ser subdividida em três outras: baseada em campos longos, em extensões espaciais e combinada. A arquitetura integrada baseada em campos longos passa ao SIG a responsabilidade do implementar os operadores espaciais. Ex. ArcSDE A arquitetura integrada com extensões espaciais consiste em utilizar extensões espaciais desenvolvidas sobre um SGBD-OR. Ex. Oracle Spatial e PostGIS, A arquitetura integrada combinada é formada pela combinação das duas últimas. Ou seja, as geometrias vetoriais são armazenadas utilizando-se os recursos oferecidos pelas extensões e as geometrias matriciais são armazenadas em BLOBs.

24 Definição de esquema conceitual Relações de especialização e agregação Hospital Rede elétrica is-a part-of Hospital público Hospital privado Poste Sub-estação

25 Metodologia consistente Definição única dos atributos Solo Ph Visual R-I R-II R-III 8.5 vermelho R-IV R-V Cambissolo 6.5 verde

26 Identidade de objetos Mapas: recortes arbitrários do espaço Objetos: identidade única rio Amarelo rio Yang-tsé rio Azul

27 Acesso aos dados: browsing Seleção baseada em apontamento Propriedades visão geral seleção de região Desafios rapidez de resposta interatividade

28 Acesso aos dados: consultas espaciais Mecanismos de seleção atributos descritivos dê-me todos os países da América do Sul com mais de 50 milhões de habitantes restrições espaciais dê-me todos os países da América do Sul vizinhos ao Equador

29 Acesso aos dados: consultas espaciais Controle de apresentação combinação de resultados de consulta controle dos objetos apresentados apresentação do contexto espacial Vizinhos do Equador sem contexto com contexto

30 Otimização da consulta espacial Métodos de acesso espacial (x convencional) capacidade de filtragem mais limitada custo computacional maior Otimizador entrada: consulta espacial saída: coleção de objetos Requisitos operadores baseados em semântica

31 Gerência de transações Transação longa: associada a uma sessão particionada: atualização contínua Check out controle de acesso para extração de região Check in substituição de área extraída ou geração de nova versão [transação]

32 Bancos de dados multi-nível Ambiente distribuído Hierarquia de servidores de dados Estação local (1~10 Gb) Servidor (10~50 Gb) Back-end (50Gb~1Tb)

33 Arquitetura Dual Atributos convencionais SGBD convencional Imagens e gráficos sistema de arquivos Vantagem uso de SGBD de mercado Problemas otimização de consultas integridade SGBD relacional França arquivos

34 Arquitetura Dual Vantagens acesso externo aos atributos (SQL) conexão a dados existentes ferramentas (gerador de formulários) Problemas controle dos objetos espaciais esquema mono-usuário

35 Ligação SIG - banco de dados Fazendas id label área 22 Caraíbas 3000 numcad 2345 SELECT id FROM fazendas WHERE area > 2500

36 Ligação SIG - banco de dados Fazendas id label área 22 Caraíbas 3000 numcad 2345 SELECT id FROM fazendas, cadastro WHERE fazendas.numcad = cadastro.numcad AND ITR > 4500 Cadastro numcad ITR Produção

37 Ambientes distribuídos Ambiente único centralizado implantação de arquitetura em camadas problemas de gerenciamento Ambiente distribuído cada servidor produz seu conjunto de dados BD corporativo alimentado off-line problemas de duplicação de dados

38 Organização de dados em um SIG Organização por níveis (planos) de informação cada nível = dado específico Atributos de mapas armazenados em tabelas divisão política elevação rios

39 Modelo de dados geo-relacional Ambiente dual dados gráficos - sistemas de arquivos tabelas de atributos - SGBD relacional id label população 22 Maine 3,5 M 34 N.Mexico 1,2 M

40 Aplicações do modelo geo-relacional Interfaces amigáveis e poderosas usuário opera no nível conceitual Definição do esquema do BDG estender a hierarquia de especialização de geocampos e geo-objetos estabelecer restrições de integridade para as novas classes

41 Modelos de Dados Sistemas comerciais diversidade de modelos semânticos implementação parcial dos conceitos de campos e objetos Modelos de dados SPRING, MGE, ARC/INFO, ARC/VIEW, IDRISI conversão entre modelos padrão OpenGIS (www.opengis.org)

42 Modelagem de Dados Definição do problema Indicação de entidades (classes de objetos) e relacionamentos Definição dos atributos de cada entidade Projeto do modelo num SIG

43 Modelagem de Dados Problema: Reforma Agrária Objetivo: seleção de áreas para desapropriação e reparticionamento Critérios de escolha áreas improdutivas: imagens de satélite multitemporais seleção de terras: topografia e solos legislação: áreas de proteção ambiental cadastro de novas propriedades

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45 Mapas estáticos em formato de imagem A forma mais básica de disseminação de dados geográficos na Web é, naturalmente, a publicação de mapas estáticos em formato de imagem, embutidas em páginas Web. rodo/1-rodo/s-rodo.pdf

46 Mapas gerados a partir de formulários Muito adotada na segunda metade da década de 1990, esta alternativa consiste em oferecer ao usuário um formulário para preenchimento. Neste formulário são solicitadas informações quanto à região geográfica de Interesse, à composição do mapa e mesmo alguns elementos de composição visual. Quando o usuário termina o preenchimento do formulário, as informações são transmitidas a um servidor, que recupera os dados necessários e converte o mapa final para um formato de imagem, como GIF ou JPEG. Ex. U.S. Geological Survey

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49 Navegação baseada em mapas-chave Outra alternativa para acesso a dados geográficos na Web é a que apresenta para o usuário um mapa chave, em formato de imagem. O usuário deve indicar com o mouse uma região de seu interesse, gerando uma navegação para outro mapa ou imagem mais detalhado.

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52 Transmissão de dados vetoriais Uma alternativa mais interessante do que a transmissão de imagens é a transmissão de objetos geográficos com representação vetorial. Desta maneira, o usuário fica livre para decidir a região de interesse, bem como para ativar ou desativar as camadas que deseja. A transmissão de dados geográficos em formato vetorial pela Internet tem um obstáculo: nenhum dos browsers atuais está preparado (nativamente) para receber e apresentar informações neste formato. Para que isso seja possível, existem duas alternativas. A primeira, adotada por alguns desenvolvedores de SIG, consiste em criar um plug-in.

53 Outra alternativa consiste em criar uma aplicação (applet) na linguagem Java.

54 Outro exemplo é o projeto Java Unified Mapping Platform (JUMP), um produto de fonte aberto para visualização e manipulação de dados geográficos através da Internet, e que conta com suporte a alguns dos principais padrões do OGC, como a linguagem GML e o modelo de objetos.

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59 Biblioteca digital de informações geográficas Os SIG estão evoluindo para além de sua comunidade de usuários tradicionais e se tornando parte integrante da infraestrutura de sistemas de informação de muitas organizações. Uma consequência positiva desse fato é o aumento significativo no número e no volume das fontes de dados espaciais disponíveis para acesso através de redes de computadores. Essa evolução representa um novo paradigma na forma de utilização da informação geográfica, baseado no conceito de biblioteca digital de informações geográficas (BDG), ou centros de dados geográficos, que são bibliotecas digitais especializadas em dados geo-referenciados, fornecendo uma infra-estrutura para a criação, estruturação, armazenamento, organização, processamento, recuperação e distribuição de dados georeferenciados.

60 Alexandria Digital Library O projeto da Alexandria Digital Library é também um bom exemplo de um catálogo de metadados combinado com um dicionário geográfico..

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62 Maine Library of Geographic Information

63 GeoConnections Discovery Portal

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