Banco de dados para o Núcleo de Pesquisa e Aplicação de Geotecnologias em Desastres Naturais e Eventos Extremos do Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais do INPE Jolvani Morgan 1, Tânia Maria Sausen 1 1 Insituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais CRS Campus UFSM S/N, CEP 97.105-900 Santa Maria RS, Brasil jolvani.morgan@crs.inpe.br, sausen@crs.inpe.br Abstract. This paper describe the implementation of the database for the group of researchs on Natural Disaster and Extreme Events Geodesastres, the first module operational phase in the South Regional Center INPE. The objective of this database is to store information about natural disasters, in different formats and sources, seeking together occurrence of events that happen in south region Brazil. The database has features allowing the spatial location of the disaster and integration with cadastral data provided for researchers of the group Geodesastres and the partner entities. Resumo. Este artigo descreve a implementação do banco de dados para o grupo de pesquisas de Geotecnologias em Desastre Naturais e Eventos Extremos Geodesastres, sendo o primeiro módulo em fase operacional no Centro Regional Sul do INPE. O objetivo deste banco é armazenar informações referentes a desastres naturais, de diferentes formatos e fontes, buscando reunir a ocorrência de eventos que acontecem na região sul do Brasil. O banco de dados possui características espaciais permitindo a localização geográfica dos desastres e a integração com dados cadastrais fornecidos pelos pesquisadores do grupo Geodesastres e pelas entidades parceiras. 1. Introdução A necessidade de prevenção, acompanhamento, mitigação de desastres representa uma certa urgência, pois à quantidade de eventos vem freqüentemente crescendo e atingindo vários municípios de todas as regiões do Brasil. Uma das causas prováveis da ocorrência de eventos de desastre atribui-se as mudanças climáticas no globo terrestre. Estas trazem estiagens prolongadas, precipitações intensas seguidas de alagamentos ou enchentes, vendavais, tornados, ciclones, entre outros, que causam grande destruição e desordem nos locais afetados. Diferentes órgãos, em esfera municipal, estadual e federal procuram unir forças para atender as ocorrências desses fenômenos. Um dos principais órgãos que executam ações de prevenção e resposta pós-desastre é a Defesa Civil. Por outro lado, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE, implantou em seu Centro Regional Sul CRS, o Núcleo de Pesquisa e Aplicação de Geotecnologias em Desastres Naturais e Eventos Extremos, denominado Geodesastres Sul. Este Grupo de pesquisa busca atuar juntamente com órgãos como a defesa civil, corpo de bombeiros, brigada militar e outros, numa parceria para a prevenção de desastres naturais. A função do grupo é usar a Geotecnologia aliada às atividades na área de
Observação da Terra (OBT), identificando as conseqüências das mudanças climáticas sobre a população da região sul do Brasil. Uma das iniciativas do grupo Geodesastres, foi à criação de um banco de dados para acompanhamento da ocorrência de desastres naturais. A implementação deste banco permite construir uma base de dados formada por imagens de satélite, mapas, cartas, documentos, fotos e vídeos relacionados aos eventos de desastres naturais para desenvolver projetos na região sul do Brasil de pesquisa e aplicação de geotecnologias em desastres naturais. Possibilitando assim, o mapeamento de áreas de riscos localizadas na região sul do Brasil e Mercosul, visualização de imagens de satélites, criação de mapas e cartas que possibilitam o monitoramento das regiões em estudo na prevenção de fenômenos naturais. O grupo Geodesastres poderá compartilhar dados com os órgãos que atuam na prevenção e mitigação desses fenômenos e disponibilizar o acesso das informações a pesquisadores e população em geral. Dessa forma, o trabalho é dividido em mais 3 secções, onde na secção 2 é apresentado os trabalhos relacionados, na secção 3 a metodologia materiais e métodos usados no desenvolvimento do banco, na seção 4 é apresentado os resultados e na 5 a conclusão. 2. Trabalhos Relacionados Atualmente são efetuadas muitas pesquisas relacionadas a desastres naturais, entre elas, o Sistema de Monitoramento de Alerta de Desastre Naturais (Sismaden), uma ferramenta de geoprocessamento para controle, recuperação, armazenamento e processamento de dados ambientais com o objetivo de emitir alertas na ocorrência de desastres. Lopes (2007). Este sistema integra dados hidrometeorológicos, plano de riscos, planos de informações adicionais para a análise e definição de alertas, possibilitando a geração de mapas de riscos nas áreas observadas. Dividido em módulos, o sistema é baseado no conceito de serviço SOA (Service Oriented Architecture), onde um serviço é uma funcionalidade independente, sem estado, que aceita uma ou mais requisições e retorna um ou mais resultados. Executado em várias plataformas preferencialmente Linux, usa o gerenciador de banco de dados Postgresql com extensão espacial Postgis, ambiente de desenvolvimento TerraLib (TerraManager, TerraPHP, TerraView) e outras bibliotecas para linux como flex, bison, geos, proj, qt e zlib. O trabalho de Marcelino, Nunes e Kobiyama (2006), teve como objetivo analisar a qualidade dos bancos de dados de desastres naturais em escala global e regional. Em escala global, o banco de dados analisado denomina-se EM-DAT (Emergency Events Database), que contém dados de desastres ocorridos em todo o mundo, contabilizados a partir de 1900. A ONU utiliza esse banco como fonte de dados para nortear as ações de prevenção em desastres naturais. Em escala regional, foi analisado o banco de dados do Departamento Estadual de Defesa Civil do Estado de Santa Catarina (DEDC-SC). Os autores verificaram com base no EM-DAT um crescimento na freqüência e intensidade de desastres naturais no mundo a partir da década de 50. Também em seu trabalho, os dados obtidos do EM-DAT para o Brasil (261 registros) apresentam-se bem inferiores aos dados do DEDC-SC para Santa Catarina, que foram de 3.373 registros no período analisado. Essa diferença foi caracterizada como um erro de omissão no EM- DAT visto que o DEDC-SC obedece a pelo menos um dos critérios requerido pelo
banco global. Por outro lado, ambos os bancos apresentam grandes similaridades em relação à porcentagem de cada tipo de desastres. Na avaliação final dos dois bancos, apesar da diferença nas escala de atuação, foram identificados erros similares, como omissão, inserção, tipologia e quantificação, mesmo assim, o banco de dados é um importante instrumento para tomada de decisões. Na literatura encontram-se outros bancos de dados globais para desastres naturais, tais como: NatCat mantido pelo Munich Reinsurance Company, que oferece estatísticas anuais e dados sobre grandes catástrofes naturais. Outro importante banco de dados é mantido pela universidade de Dartmouth, (Darmouth Food Observatory USA), que contém informações sobre as maiores inundações ocorridas no mundo a partir de 1985. A proposta do grupo de pesquisas Geodesastres é criar um banco de dados com características geográficas servindo como um repositório de dados de diferentes fontes para estudos em desastres naturais. 3. Metodologia Para prevenir os desastres naturais, primeiro necessita-se de estudos sobres os mesmos, tais como: a freqüência dos acontecimentos, onde ocorrem e quando ocorrem, sua recorrência, de quanto em quanto tempo o mesmo evento acontece, sua intensidade, danos causados (materiais, econômicos e humanos), identificação dos atingidos relacionando a situação econômica e habitacional com o tipo de evento, por exemplo. Diante disso, um banco de dados provê mecanismos para estudos de eventos de desastres naturais servindo como gerenciador de dados de diferentes fontes e formatos. Baseado na análise efetuada, as informações que deverão ser armazenadas no banco de dados identificam três etapas que formam o processo de gerenciamento da informação, são elas: a entrada de dados, o armazenamento e a saída. Para a entrada de dados, o banco deve permitir informações referentes a Desastres Naturais, Imagens de Satélites e Mapas, ou seja, inserção de diferentes formatos de arquivos, além de Dados Ambientais, Dados Sociais e Dados Econômicos. Cada entrada de dados, pode ser fornecida por diferentes órgãos ou instituições parceiras, que deverão trabalhar juntas formando a base de entrada de dados. O armazenamento identifica a adoção de tecnologias de informática como gerenciadores de banco de dados para gerir as informações de entrada e saída. A saída de dados permite gerar diferentes mapas e relatórios que garantam o monitoramento dos desastres naturais e o diagnóstico dos eventos que ocorreram. Tais mapas, como de perigo, de vulnerabilidade, precipitação, entre outros, possibilitam identificar as áreas de risco para prevenção de desastres naturais. Além disso, outros tipos de dados, como: quadros, tabelas, documentos podem ser gerados como informação de saída. Além de dados convencionas o banco de dados possui características geográficas, como é o caso da inserção de imagens de satélite e eventos de desastres. Para estes casos, coordenadas geográficas são inseridas como pontos geográficos no banco de dados, permitindo a localização espacial tanto de imagens de satélite quanto de desastres naturais ocorridos, além de associar diferentes tipos de arquivos a eventos de desastres. Tal coordenada permite a consulta espacial especificando, por exemplo, para o arquivo do tipo imagens qual município ou municípios intersectam aquela imagem, e
para o evento qual município ou municípios foram atingidos pelo desastre e o local onde ocorreu o mesmo (ou os locais onde ocorreram desastres dentro do município, na região ou no estado). Para a implementação do banco de dados, desde a conceituação até a fase operacional do primeiro módulo, diferentes etapas foram contempladas. Tais etapas compreendem a análise dos requisitos, modelo conceitual (ER modelo de entidade relacionamento), modelagem lógica, onde são criados as tabelas, com seus atributos, campos, relacionamentos, integridade referencial, regras e funções no banco de dados. Na fase final, é implementada a interface que deve permitir o acesso do grupo de qualquer lugar, possibilitando assim, inserir, atualizar e consultar dados. Para isso, serão usadas tecnologias Web na estruturação de páginas que permitam o acesso ao banco de dados. O acesso ao banco de dados terá níveis de restrições, onde para os pesquisadores do Geodesastres, será permitido inserir, alterar e consultar dados na base de dados. Para os parceiros terá um módulo possibilitando a inserção e consulta dos dados, e os usuários externos terão acesso somente às consultas no banco de dados. O primeiro módulo do banco de dados tem a função de montar uma base de dados que forneça materiais referentes aos fenômenos de desastres naturais. Estes materiais são as imagens de satélites, as fotografias dos desastres os documentos em PDF e DOC, mapas geológicos, de uso do solo, de vegetação, cartas topográficas e todo material relevante que pode ser inserido no banco em forma de arquivos. A primeira etapa foi criar o modelo conceitual, onde foi elaborada a definição das classes de entidades. Na definição das entidades, são atribuídos nomes que representam o tipo de objeto ou dado que será armazenado. Definidas as entidades, as quais correspondem às tabelas que serão armazenadas no banco, são estabelecidos os relacionamentos entre as classes de entidades e a cardinalidade da associação (do relacionamento) das classes, segundo Queiroz et al. (2007). Estas entidades são denominadas o modelo de Entidade Relacionamento (ER). Após definir o modelo ER, são definidos os atributos das classes de entidades e dos relacionamentos, tais atributos são os campos e os tipos de dados que poderão ser armazenados no banco, como caracteres, inteiros e campos geométricos. A partir desse modelo é elaborado o modelo lógico, ou seja, traduzir o modelo ER para o modelo Relacional. A figura 1 ilustra algumas tabelas do modelo lógico do banco de dados. Nela, a tabela mais significativa do banco de dados é a tabela arquivo. Esta possui três especializações, pois alguns atributos dela são iguais às tabelas arq_imagem, arq_mapas e arq_cartas como é o caso de nome, data e path (caminho ou diretório de localização). Portanto, a tabela arquivo, tem a função de armazenar todos os tipos de arquivos que serão inseridos no banco e seu relacionamento com a tabela evento, permite relacionar um evento de desastre natural com os arquivos referentes ao mesmo. Na criação do modelo lógico, também são criadas visões (views), regras (rules) gatilhos (triggers), chaves, integridade referencial e funções, para o correto funcionamento e operações de acesso ao banco.
Figura 1 Modelagem lógica do banco de dados O banco de dados criado possui características espaciais. Tais características permitem efetuar consultas espaciais, nas tabelas com o campo de coordenadas espaciais, cujo atributo é definido como GEOMETRY, neste caso, as tabelas arq_imagem e ponto. O tipo de dado GEOMETRY é uma extensão espacial que possibilita armazenar pontos, linhas, polígonos, multipontos, multipolígonos, entre outros, caracterizando o armazenamento de objetos geográficos no banco de dados. Observa-se o mesmo atributo, GEOMETRY, na tabela de municípios. Esta tabela possui a geometria de todos os municípios do Brasil, sendo que este campo armazena os pontos que representam os polígonos de cada município e foi adquirido através de arquivos Shape disponibilizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE (IBGE, 2008). Sendo assim, para realizar consultas espaciais, as tabelas não precisam necessariamente estar relacionada, bastam possuírem campos geométricos que representam objetos geográficos da região de interesse. Dessa forma, a consulta pode ser realizada, por exemplo, através de uma junção, intersecção ou união das mesmas
através dos campos geométricos, utilizando funções de consultas espaciais. Tais funções, já estão pré-definidas em banco de dados geográficos como é o caso da PostgreSQL através da extensão espacial PostGis. 4. Resultados Na operação e desenvolvimento do banco de dados, foram utilizadas várias ferramentas: Servidor Web Apache versão 2.0.63, linguagem de programação e acesso a banco de dados PHP 5.2.5, gerenciadores de banco de dados PhpPgAdmin 4.2.1 e PgAdmin III, Banco de Dados PostgreSQL 8.3.4 e sua extensão espacial PostGis 1.3.3. A escolha do banco de dados baseou-se nas necessidades do grupo, que verificando as muitas opções de bancos de dados disponíveis, como os banco de dados proprietários, optou por usar um banco de dados de código aberto, como é o caso do sistema gerenciador de banco de dados PostgreSQL e sua extensão espacial PostGIS. Este gerenciador possui recursos como consultas complexas, triggers, views, rules, stored procedure, chaves estrangeiras, entre outros. Sua extensão espacial permite o armazenamento de dados geográficos com diversas funções implementadas que possibilitam diferentes consultas espaciais. Uma interface Web foi desenvolvida possibilitando efetuar inserções, alterações, exclusões e consultas. Nesta interface, todos os utilizadores do banco de dados deverão ser cadastrados, sendo que cada usuário receberá uma senha e permissão de acesso conforme a categoria definida. Ao acessar o link Geodesastres, uma nova página irá surgir com as opções de login, ao preencher corretamente o nome do usuário e senha, é acessado os dados do banco. A figura 2 apresenta a listagem dos arquivos tipo foto inseridos no banco, representando um evento de desastre natural. Figura 2 Listagem de arquivos tipo foto inseridas no banco de dados. Conforme ilustrado na figura 2, o menu à esquerda permite navegar pelas opções e listar os diferentes tipos de dados inseridos no banco. Assim, ao selecionar uma opção de menu, várias operações podem ser efetuadas, tais como: 1 permite adicionar novos arquivos tipo foto, 2 editar ou alterar um registro no banco de dados, 3 exibir o registro em questão, 4 eliminar um registro ou vários registros selecionados, e em 5 permite efetuar uma consulta avançada. Para cada tipo de entidade ou tabela do banco de dados efetuam-se inserções de dados alfanuméricos, ou seja, dados de tipos convencionais como inteiros, reais e caracteres. Entretanto, em algumas tabelas existem campos com propriedades geométricas, como é o caso das tabelas ponto associado à tabela evento, arq_imagem e município. Essa propriedade geométrica é a coordenada latitude e
longitude que indicam pontos para localização geográfica de determinado objeto no espaço. Dessa forma, no momento da inserção dos dados no banco é executado a conversão de graus, minutos e segundos para pontos, nas tabelas citadas. A figura 3 apresenta um exemplo de inserção de parte dos dados na tabela evento. Figura 3 Interface para inserção de desastres na tabela evento Os eventos são inseridos contendo informações da data de ocorrência, tipo, intensidade, descrição e danos causados. Cada evento é associado a arquivos, municípios e à coordenada geográfica que pode ser representada por um ponto ou vários pontos indicando a localização no espaço onde ocorreu o evento. Também existe um relacionamento entre um arquivo e uma coordenada. Isto permite que um arquivo do tipo foto seja associado a uma coordenada geográfica para localização do desastre. A figura 4 apresenta somente a associação da tabela evento com a tabela município. Figura 4 Associação da tabela evento com as tabelas município, ponto e arquivo Ao inserir um arquivo, é necessário associar este a coordenada, caso possua tal identificação. Dessa forma, a figura 5 ilustra a associação do arquivo tipo foto a coordenada geográfica e ao evento correspondente. Figura 5 Relação entre o evento, o arquivo tipo foto e a localização geográfica
Esta opção permite a consulta espacial. Além disso, outras consultas podem ser efetuadas de duas maneiras diferentes: consultas simples, efetuadas a um campo da tabela, ou consultas avançadas, que possibilitam a combinação de vários campos da tabela. Na consulta espacial, é necessário armazenar dados geográficos. Como apresentado na figura 4 e 5, onde é possível armazenar coordenadas geográficas que representam os pontos relacionados aos desastres. Utilizando uma ferramenta SIG, como é o exemplo do Quantum GIS, é possível visualizar os dados armazenados no banco. A figura 6 ilustra a localização geográfica com as coordenadas que representa os pontos que correspondem aos arquivos tipo foto onde ocorreram às inundações no município de Maquiné no Rio Grande do Sul. Figura 6 Localização geográfica da ocorrência do evento Na figura 6, a representação geográfica é apresentada carregando dados de duas tabelas, a tabela município com os polígonos que delimitam a divisão política deles e a tabela ponto com as coordenadas dos desastres, identificando a localização geográfica do mesmo. Esta representação geográfica, permite efetuar consultas usando funções do PostGis. Um exemplo é efetuar a consulta usando a função contains do Postgis. Conforme Baptista (2007), esta função verifica se o interior e borda de um objeto está completamente contido no interior de outro objeto. Dessa forma é possível realizar uma consulta unindo as tabelas municípios e evento identificando a ocorrência de desastres em determinado período e a localização geográfica do mesmo, sem que elas tenham algum tipo de relacionamento. As imagens de satélite são inseridas também com coordenadas geográficas. Estas coordenadas representam um ponto central ou dois pontos um para o canto superior e outra para o canto inferior. No caso da imagem inserida tiver informações relevantes para vários municípios, é necessário informar as coordenadas do ponto superior e do ponto inferior. A figura 7 apresenta o armazenamento da imagem de satélite com as coordenadas canto superior e canto inferior da mesma.
Figura 7 Inserção de imagens de satélite Esta abordagem permite efetuar consultas espaciais utilizando as funções Box e Intersect do Postgis. A função Box cria uma caixa em torno dos dois pontos e a função Intersect verifica se os polígonos dos municípios intersectam essas coordenadas, identificando quais municípios pertencem àquela imagem. A figura 8 ilustra o exemplo da função Box. Figura 8 Exemplo do uso da função Box do PostGis O exemplo apresentado permite identificar que dois municípios representados por X e Y são intersectados pelo objeto Box dos pontos presentes na imagem. Adicionalmente ao banco de dados outras aplicações serão desenvolvidas, usando um servidor de mapas como o Mapserver aliado a um conjunto de ferramentas para visualização, análise e geração de mapas sob demanda, criando assim, mapas interativos para o grupo de pesquisas Geodesastres Sul. 5. Conclusão Um banco de dados permite armazenar informações de diferentes formatos, sua capacidade de recuperação dos dados através de consultas torna-o uma ferramenta adequada que agiliza muitas tarefas. Sua função de armazenamento, consultas, cruzamento de informações garantem a geração de relatórios e o gerenciamento de grande massa de dados. Os bancos de dados geográficos introduzem a manipulação de dados georeferenciados, cujo tratamento espaço temporal são importantes para os sistemas de
informações geográficas. Assim, possibilitam a representação do mundo real no computador. Uma das diferenças entre um banco de dado relacional e um banco de dados geográficos, é que neste último, toda associação pode ser feita pelos campos geométricos das tabelas envolvidas, não existe a necessidade de relacionamento entre as mesmas. Através dessas características a utilização de um banco de dados geográfico serve como uma ferramenta que auxilia os estudos, a prevenção, a mitigação e ações pósdesastre aos pesquisadores do Núcleo de Pesquisas e Aplicação de Geotecnologias em Desastres Naturais e Eventos Extremos do Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais. Utilizar banco de dados geográficos em eventos de desastres naturais traz ganhos antes não alcançados, a localização geográfica o armazenamento e as diferentes maneiras de consultas caracterizam os bancos de dados como importante ferramenta Geotecnológica para o combate a desastres naturais e eventos extremos na região sul do Brasil. 6. Referências Baptista, S. C. Disciplina de Sistemas de Informações Geográficas Unidade 07: Banco de Dados Espaciais. Julho de 2007. Disponível em: <http://www.dsc.ufcg.edu.br/~baptista/cursos/sig/>. Acessado em: 21 de nov. 2008. PostgreSQL Open Source Database. Disponível em: <http://www.postgresql.org/>. Acessado em: 28 de jun. 2008. PostGIS. Disponível em: <http://postgis.refractions.net/>. Acessado em: 25 de jun. 2008. Queiroz, G. R.; Ferreira, K. R.; Câmara, G. Banco de Dados Geográficos Introdução SQL usando PostgreSQL. Curso de Banco de Dados Geográficos, Julho de 2007. Disponível em: <http://www.dpi.inpe.br/ cursos/ser303>. Acessado em: 15 de out. 2008. Lopes, E. S. S.; SISMADEN Sistema de Monitoração de Alerta de Desastres Naturais. Disponível em: <http://www.dpi.inpe.br/sismaden/index.php>. Acessado em: 30 dez. 2008. Marcelino, E. V.; Nunes, L. H.; Kobiyama, M. Banco de Dados de Desastres Naturais: Análise de Dados Globais e Regionais. Revista Caminhos de Geografia V.7 N.19, Instituto de Geografia Universidade Federal de Uberlândia. Disponível em: <http://www.caminhosdegeografia.ig.ufu.br/>. Acessado em: 03 jan. 2009. EM-DAT. Emergency Events Database. Disponível em: <http://www.emdat.be>. Darmouth Food Observatory. Space-based Measurement of Surface Water. Disponível em: <http://www.dartmouth.edu/~floods/>. Munich Reinsurance Company, NatCat. Disponível em: http://www.munichre.com/en/ homepage/default.aspx>.