Modelagem de Dados Geográficos

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1 Modelagem de Dados Geográficos - Modelo orientado a objetos - SIG - Modelagem de Dados Geográficos (os quatro universos) INPE - Divisão de Processamento de Imagens INPE

2 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 2 Conceitos Iniciais Espaço Geográfico - é o meio físico onde as entidades geográficas coexistem - projeto de trabalho Entidade Geográfica - é qualquer entidade identificável do mundo real, possuindo características espaciais e relacionamentos espaciais com outras entidades geográficas. Dado geográfico com dimensão e localização na superfície da terra

3 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 3 Conceitos Iniciais Dados geográficos - características básicas: Espacial - informa a posição geográfica do fenômeno e sua geometria; Descritiva - descreve a entidade através de atributos; Temporais - informam o tempo de validade dos dados geográficos e suas variações sobre o tempo.

4 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 4 Conceitos Iniciais Propriedades do dado espacial - Geométricas : são propriedades métricas que definem a forma das entidades a partir feições primitivas ponto, linha e polígono. Alguns exemplos são comprimento, sinuosidade e orientação da linha, perímetro, área, volume, forma e inclinação da linha. - Topológicas : são baseadas nas posições relativas dos objetos no espaço tais como conectividade, orientação (de, para) e adjacência.

5 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 5 Modelo Orientado a Objetos Objeto: corresponde à entidade do modelo E-R Possui: conjunto de atributos conjunto de métodos para se acessar seus atributos e realizar alguma tarefa objeto = empregado atributos (nome, endereço) métodos: recupera_nome, recupera_endereço

6 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 6 Modelo Orientado a Objetos Objetos de mesma característica são agrupados em classes Cada objeto de uma classe é uma instância desta classe classe empregado: atributos: nome, endereço, data_início, salário métodos: recupera_nome, recupera_endereço, define_endereço, recupera_salário, tempo_serviço

7 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 7 Herança: Modelo Orientado a Objetos classes com características semelhantes definir especializações de uma classe classes derivadas herdam atributos e métodos da classe superior Pessoa empregado cliente secretária administrador caixa

8 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 8 Modelo Orientado a Objetos Herança Múltipla objetos herdam atributos de vários outros Transporte Recurso Hídrico Rodovia Rio Lago

9 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 9 Modelo Orientado a Objetos Agregação objeto superior é formado a partir da combinação de um conjunto de outros objetos bicicleta roda freio marcha quadro

10 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 10 Modelo Orientado a Objetos Propagação característica da classe básica é derivado das classes componentes Lote área proprietário Município área Rodovia área Rio área nome

11 Modelo Objeto-Relacional Extensão do modelo relacional Permitem consultas baseadas em termos complexos Atributos podem ser coleções de informações tipo MyString: conjunto de caracteres tipo MyDate: dia, mês, e ano tipo Author_List: conjunto de MyString tipo Keyword_List: conjunto de MyString tipo Document: (MyString, Author_List, MyDate, Keyword_List) BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 11

12 Modelo Objeto-Relacional create type MyString char varying create type MyDate ( dia integer, mês char(10), ano integer) create type Document ( nome MyString, autor_list setof (MyString), data MyDate, palavras_chave setof (MyString) ) create table doc of type Document BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 12

13 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 13 Características de Banco de Dados Relacional: tipos de dados simples, linguagens de consulta eficientes, proteção Orientado a objetos: tipos de dados complexos, integração com linguagens de programação, alta performance Objeto-relacional: tipos de dados complexos, linguagem de consultas eficientes, proteção

14 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 14 Sistemas de Informação Geográfica Ambiente computacional para Geoprocessamento Integrar dados cartográficos, cadastrais, de sensores remotos, redes e modelos numéricos de terreno. Consultar, recuperar, visualisar, manipular e plotar o conteúdo de um banco de dados georeferenciado.

15 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 15 Estrutura de um SIG Interface Entrada e Integração de Dados Consulta e Análise Espacial Visualização Plotagem Gerência Dados Espaciais Banco de Dados Geográfico

16 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 16 SIG x CAD CAD coordenadas de papel regularidades nos objetos desenhos sem atributos SIG projeções cartográficas topologia do espaço atributos descritivos Angola África do Sul

17 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 17 Modelagem de Dados Geográficos interface usuário Universo Universo Universo Universo Mundo real Conceitual Representação Implementação Níveis de abstração mundo real cadastro urbano, vegetação, solos conceitual campos, objetos representação matrizes, vetores implementação R-trees, quad-trees

18 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 18 Universo do Mundo Real Mapas temáticos Mapas cadastrais Modelos numéricos de terreno Redes Imagens de satélite

19 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 19 O que é um mapa? Modelo simplificado da realidade. Uma representação, normalmente em escala, de uma seleção de entidades abstratas relacionadas com a superfície da Terra. Modelo de dados que se interpõe entre a realidade e a base de dados de um SIG.

20 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 20 Tipos de mapa Carta topográfica representação de superfícies Mapas temáticos conceitos qualitativos (uso do solo, clima) Mapas cadastrais e redes localização de objetos do mundo (lotes) Imagens de satélite informação indireta sobre a realidade

21 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 21 Mapas temáticos Distribuição espacial qualitativa da grandeza em estudo Domínio do atributo nominal: lista de valores mapa de vegetação {floresta, cerrado, desmatamento} ordinal: escala de medida mapa de classes de declividade {0-5%, 5-10%, >10%}

22 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 22 Modelos Numéricos de Terreno Distribuição espacial quantitativa da grandeza em estudo Domínio do atributo intervalo: referência arbitrária altimetria, batimetria temperatura em graus Celsius razão: referência natural peso, distância temperatura em graus Kelvin

23 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 23 Mapas cadastrais Contém objetos geográficos individuais mapas de países, lotes, propriedades rurais País PIB (Us$ bn) Pop (milhões) Brasil Argentina Chile 45 14

24 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 24 Mapas de rede Contém objetos com topologia arco-nó utilizado para redes conectadas

25 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 25 Mapas de rede Objetos endereçados no espaço Exemplo: rede de distribuição elétrica rede primária rede secundária sub-estações, alimentadores postes, transformadores, chaves cadastro urbano cadastro de consumidores

26 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 26 Mapas de rede Ligação forte com banco de dados Sub-estações id label capacidade 22 Eng. Dentro kva Postes id label Transformador Classe 3

27 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 27 Imagens Fontes: satélites, fotografias aéreas Elemento de imagem (pixel) proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida por área da superfície terrestre

28 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 28 Modelando a natureza O que há num mapa? Linhas no mapa divisão política separação entre tipos de solo isolinhas (cota 1000) E o mapa como modelo de dados?

29 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 29 Universo conceitual Campos (variáveis geográficas contínuas) mapa temático modelo numérico do terreno imagem Objetos (variáveis geográficas discretas) linhas de transmissão quadras

30 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 30 Universo conceitual: : geo-campo Geo-Campo: ƒ= [ R, A, λ], onde: R R 2, A = { A 1, A 2,..., A n } é um conjunto de atributos e λ: R A mapeia pontos de R para valores em A. Representa a distribuição espacial de uma variável que possui valores em todos os pontos pertencentes a R. Contra-domínio da função conjunto enumerável = temático mapa de cobertura vegetal valores contínuos (- a + ) = numérico mapa de aeromagnetometria

31 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 31 Universo conceitual: : geo-objetos objetos Dadas as regiões geográficas R 1,R 2,..R n (R i R 2 ) e o conjunto de atributos convencionais A 1,...,A n, Geo-Objeto go = [ r 1, r 2,..., r n, a 1, a 2,...,a n ], onde r i R i é uma parte de uma região geográfica R i e ai Ai é um valor particular do atributo A i. É um elemento único que possui atributos não-espaciais e está associado a múltiplas localizações geográficas. País PIB Pop Brasil Argentina Chile 45 14

32 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 32 Geo-objetos objetos Um geo-objeto, múltiplas representações 1 id nome Amazonas Xingu 2 3 id nome Yanomami Waimiri Kayapó

33 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 33 Mapa cadastral Suporte para mapeamento de objetos Mapa Lotes n. 345 Jardim Esplanada Lotes geoid dono endereço cadastro IPTU 22 Guimarães Caetés Bevilácqua São João Ribeiro Caetés

34 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 34 Mapas de Rede cons secun. primária tr p p Sub-estação Hospital

35 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 35 Modelo de Dados - SPRING Banco de Dados Geográficos part-of part-of part-of Plano de Informação Geo-objeto is-a Geo-campo is-a Cadastral is-a is-mapped-in Temático Numérico is-a Rede Não-espacial Dado de Sensoriamento Remoto Banco de Dados Geográficos é composto por conjuntos de planos de informação, um conjunto de geo-objetos e um conjunto de objetos não-espaciais

36 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 36 Universo de Representação Plano de Informação is-represented-by é-um Representação Geométrica é-um Matricial Vetorial Plano de Informação é a generalização dos conceitos de geo-campo e de objeto cadastral

37 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 37 Representação Vetorial Componentes ponto, linha, região região M={1,2,3,4,5} Topologia relação espacial entre objetos Toulouse fica na região M 1 M toulouse 4

38 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 38 Topologia Estrutura topológica do tipo nó-linha-polígono

39 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 39 Representação Matricial Componentes matriz de células índice espacial cada célula, um valor Le Ls Li Aq Indica o que ocorre em cada lugar do espaço

40 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 40 Representações para mapas temáticos Vetorial preserva relacionamentos topológicos associa atributos a elementos gráficos melhor exatidão e eficiência de armazenamento Matricial fenômenos variantes no espaço adequado para simulação e modelagem processamento mais rápido e simples maior gasto em armazenamento

41 Universo de Representação - TEMÁTICO Hierarquia de representação Mapas Temáticos é representado em é um Representação Matricial Representação Geométrica é um Representação Vetorial é um é um Imagem Temática Conjunto de células de uma matriz 2D de números inteiros (índices detab. de Cores) * Gerada a partir de mapeamentos de imagens classificadas ou conversão vetor - matriz Temático Mapas vetorias constituídos de Nós 2D, Linhas 2D e Polígonos * Gerados a partir da digitalização de bases existentes, mapeamentos ou conversão matriz - vetor BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 41

42 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 42 Representações para MNT Grade regular (matriz de reais) elemento com espaçamento fixo valor estimado da grandeza

43 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 43 Representações para MNT Grade triangular (TIN) conexão entre amostras estrutura topológica arco-nó

44 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 44 Universo de Representação - NUMÉRICO Hierarquia de representação Modelo Numérico de Terreno é representado em é um Representação Matricial Representação Geométrica é um é um Representação Vetorial é um é um ISOLINHA PONTOS COTADOS GRADE TRIANGULAR é um Conjunto de Linhas 2D com mesmo valor de cota * Altimetria * Curvas de Isovalores magnéticos Conjunto de Pontos com coordenadas 3D (x,y,z) * Pontos Altimetria * Amostras de Solo (geoquímica) Conjunto de Linhas 2D conectadas a Nós 3D * Gerada a partir de Isolinhas e/ ou Pontos Cotados (c/ ou s/ linhas de quebra) GRADE RETANGULAR Conjunto de células de uma matriz 2D * Gerada a partir de Isolinhas e/ ou Pontos Cotados, Grade Triangular ou outra Retangular

45 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 45 Representações para MNT Vantagens Problemas Grade triangular 1. Melhor representação de relevo complexo 2. Incorporação de restrições como linhas de crista 1. Complexidade de manuseio 2. Inadequada para visualização 3D Grade regular 1. Facilita manuseio e conversão 2. Adequada para geofísica e visualização 3D 1. Representação de relevo complexo 2. Cálculo de declividade

46 Universo de Representação - CADASTRAL Hierarquia de representação BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 46 Mapa Cadastral é representado em Cadastro Representação Geométrica é um Representação Vetorial é um Mapas vetorias constituídos de Nós 2D, Linhas 2D e Polígonos * Gerados a partir da digitalização de bases existentes, mapeamentos (levantamento topográfico, gps e trena)

47 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 47 Universo de Representação - REDES Hierarquia de representação Mapa de Redes é representado em Redes Representação Geométrica é um Representação Vetorial é um Mapas vetorias constituídos de Nós de rede 2D e Linhas 2D orientadas * Gerados a partir da digitalização de bases existentes, mapeamentos (levantamento topográfico, gps e trena)

48 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 48 Representações computacionais para mapas Vetorial Matricial Mapas temáticos Arco-nó-polígono Matriz de bytes Mapas Cadastrais Arco-nó-polígono Mapas de Rede Arco-nó Modelos numéricos de terreno Grades triangulares ou isolinhas Matriz de reais Imagens Matriz de inteiros

49 BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 49 Universo de Implementação Modelagem de Dados em Geoprocessamento As estruturas de dados e algoritmos para manipulação dos dados geográficos são escolhidos (nível de codificação) Deve-se considerar: desempenho capacidade do equipamento tamanho da massa de dados

50 SPRING: Modelo Conceitual BANCO DE DADOS GEOGRÁFICOS - MODELAGEM DE DADOS 50