CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO A atuação do homem no meio ambiente, ao longo da história, fornece provas de suas ações em nome do progresso. Esta evolução tem seu lado positivo, pois abre novos horizontes, novas possibilidades e descobertas, e o lado negativo, pois pode causar desequilíbrios econômicos, ecológicos e sociais. Desta forma, o próprio homem, fazendo uso do seu principal atributo, a inteligência, vem criando mecanismos para controlar, sanar e prevenir tais desequilíbrios. Neste sentido emerge uma área de estudos e aplicações, denominada Geoprocessamento. Geoprocessamento, pelo significado do próprio nome (Geo = Terra, Processar = Executar, Realizar, Mudar), processa informações sobre a superfície terrestre através de ferramentas computacionais ou não. Estes processos auxiliam o homem na monitoração, administração e planejamento do espaço geográfico em que vive. Os sistemas computacionais com estes propósitos são conhecidos como Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Pelas razões apontadas acima nos sentimos conscientes e motivados a contribuir nesta área, com este trabalho de dissertação de mestrado. A elaboração de tal trabalho é resultado de nossa formação associada à experiência adquirida no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) em cursos, pesquisas, trabalhos e conversas com pessoas de conhecimento de áreas como engenharia de software, processamento de imagens, sensoriamento remoto e geoprocessamento entre outros. 25
1.1 - Motivação Na prática atual a concepção e a implementação de projetos na área de Geoprocessamento segue regras conceituais vinculadas à ferramenta computacional selecionada. Entendemos por regras conceituais a semântica do funcionamento de cada SIG, e a maneira como os dados devem estar organizados, levando em consideração o tipo de cada dado, para o adequado tratamento pelo SIG adotado. Tendo em vista a diversidade dos modelos conceituais dos SIGs, muitas organizações, por deter apenas o conhecimento de um sistema, acabam por utilizar, para efeitos de modelagem, a terminologia específica deste sistema. Este tipo de prática é comum no mercado e acaba por impor barreiras de comunicação entre os diferentes produtores de informação georeferenciada. Esta situação é fonte de muitos problemas, incluindo: a conversão de dados entre organizações que utilizam SIGs distintos torna - se extremamente trabalhosa e organizações receptoras de tecnologias ficam condicionadas ao uso de um único sistema e à adoção de uma terminologia que pode desrespeitar seus próprios aspectos culturais e técnicos. Neste cenário, é cada vez maior o interesse por soluções que permitam o acesso amplo a diferentes bancos de dados geográficos. Entre as soluções possíveis, a proposta do consórcio OPEN GIS merece especial destaque. O OPEN GIS (ou OGIS) é um padrão de interoperabilidade entre SIGs, baseado em conceitos de orientação por objetos, que estabelece mecanismos padronizados para acesso a informações geográficas. 26
No entanto, a implantação do modelo OGIS não poderá ser imediata. Como existem enormes bases de dados geográficas armazenadas em formatos proprietários, prevê-se um processo de migração paulatino pelas diferentes instituições que detêm repositórios de dados geográficos. Neste sentido, consideramos importante estabelecer uma correspondência entre os conceitos utilizados na modelagem de dados de diferentes sistemas e o padrão OGIS. Como se verá no decorrer deste trabalho, há uma grande diferença entre as terminologias adotadas por estes sistemas, o que dificulta sobremaneira a difusão da informação geográfica. 1.2 - Objetivo do Trabalho O estudo realizado analisará três dos principais SIGs disponíveis no Brasil (ARC/INFO-ESRI, MGE-INTERGRAPH e SPRING-INPE), discutindo em detalhe o modelo conceitual de cada um, e procurando estabelecer uma correspondência entre estes conceitos e o padrão OGIS. Como se verá, a tradução entre os diferentes sistemas, e destes para o padrão OGIS não é direta, e possui algumas ambigüidades e indefinições que este trabalho procura abordar. Em função da análise realizada, será desenvolvida uma ferramenta computacional (GeoTMS), como protótipo, que pretende auxiliar na tradução entre os modelos semânticos de diferentes sistemas e na migração de bancos de dados existentes para o padrão OGIS. Além de sua relevância para o problema geral da interoperabilidade, esta ferramenta terá grande valor prático. 27
1.3 - Breve Revisão da Literatura Este trabalho insere-se na área científica de geoprocessamento. Por tratar-se de uma área relativamente recente e em consolidação, o contexto é dinâmico, logo sujeito a discussões e questionamentos entre as diversas visões. A padronização deste universo é um processo em desenvolvimento. Os trabalhos semelhantes na literatura abrangem características teóricas e práticas separadamente, constituindo relatos de experiências específicas. A seguir, tem-se uma descrição de trabalhos considerados relevantes para o propósito desta dissertação, constituindo uma base preliminar de estudos para situar este trabalho. A interoperabilidade constitui a capacidade de compartilhar e trocar informações e processos entre ambientes computacionais heterogêneos, autônomos e distribuídos (Yuan, 1998). No entanto, a exequibilidade deste conceito na área de geoprocessamento é complexa pois existem incompatibilidades de representação, de estrutura e de semântica, que impedem esta prática. Segundo Yuan (1998), existem três aspectos a serem abordados que são necessários para a interoperabilidade: sintático, semântico e software. O aspecto sintático esforça-se por padronizar a codificação e a interpretação da informação geográfica oriunda de diferentes formatos. Isto permite que um sistema compreenda o significado de dados provenientes de outros sistemas. Trata-se dos padrões de transferência de dados tais como SDTS, DXF, MIF, SAIF, etc.. Apesar do aspecto sintático caminhar no sentido de facilitar a transformação de dados de diferentes sistemas, ocorrem limitações, provenientes do aspecto semântico, que barram este desenvolvimento. A representação conceitual da informação geográfica que cada sistema possui é denominada de aspecto 28
semântico. Estas limitações decorrem da considerável distância existente entre as comunidades de diferentes culturas e história, que acabam por conceitualizar e interpretar distintamente a realidade geográfica. No aspecto de software ou operacional, espera-se uma inclinação das organizações produtoras de software no sentido de atender aos requisitos de interoperacionalidade. Hoje existe uma proposta, em construção, de especificação destes requisitos, que é o OPEN GIS. Esta proposta exige que os softwares migrem seus ambientes para este padrão. Atualmente não existem sistemas que atendam por completo as especificações do OPEN GIS. O que ocorre comumente são funcionalidades de importação e exportação de formatos intercambiáveis que exploram o aspecto sintático. Podemos citar o software GeoMedia como um exemplo de produto que caminha no sentido da interoperação completa. Para mais detalhes sobre este software pode-se consultar Intergraph (1998). Yuan (1998) sugere a construção de um modelo conceitual genérico para SIG, que seria usado para definir elementos responsáveis pelo compartilhamento da informação espacial entre os SIGs específicos existentes. Os aspectos sintáticos e software serão consideradas em fases futuras pois a compatibilidade semântica é fundamental para interoperabilidade. Segundo Garhegan (1998), o significado semântico dos dados espacias não é o mesmo nos modelos dos diferentes SIGs existentes. Como decorrência disto, a transformação de dados espaciais de um sistema para outro pode acarretar inconsistências lógicas caso seja enfocada somente a sua geometria. Gahegan (1998) propõe uma notação para descrever as diferenças semânticas entre os diversos SIGs e auxiliar o processo de interoprabilidade. Além da diferença semântica intrínseca ao modelo do sistema, existem outras desenvolvidas pelo próprio usuário do sistema na interpretação de um fenômeno geográfico para fins de modelagem. Para ilustrar, podemos citar o 29
exemplo de usuários que podem modelar solos utilizando um mesmo SIG, de maneiras diferentes. Estas diferenças são decorrentes do atendimento de propósitos diferentes. No entanto na ocorrência da migração de dados entre os sistemas deve-se ter cuidado com estas barreiras semânticas. Voisard (1998) propõe a construção de um GIS genérico e aberto, em atendimento aos requisitos de interoperabilidade. Esta construção baseia-se na decomposição do mundo real em quatro níveis de abstração: aplicação, serviços abstratos, serviços concretos e sistemas. No nível de aplicação serão atendidos os requisitos do usuário final. No nível de serviços abstratos serão abordados aspectos de alto nível do sistema e estabelecimento de uma plataforma lógica de integração de dados. Já o nível de serviços concretos terá a responsabilidade de especificar a distribuição dos dados e operações. Por fim o nível de sistema se compromete por executar serviços de sistemas específicos. Gooldchild et al (1998) afirma que o compartilhamento de dados, o treinamento de usuário e o compartilhamento de procedimentos de utilização são aspectos complexos de serem praticados entre diferentes sistemas. Isto é reflexo da independência existente durante a construção dos sistemas de informações geográficas, ocorrendo pouco intercâmbio de teoria e terminologia. Segundo o autor, o termo interoperabilidade sugere um mundo ideal no qual esses problemas irão desaparecer ou, pelo menos, diminuir significativamente, resultado de uma mudança fundamental nos projetos, abordagens e filosofia. 1.4 - Metodologia de Trabalho Uma abordagem para solucionar o problema da interoperabilidade é o estabelecimento de um modelo conceitual que possa servir de referência para 30
a tradução sistemas distintos (Yuan, 1998). Os conceitos semânticos de cada sistema a ser analisado seriam traduzidos para o modelo conceitual geral, o que tornaria mais fácil sua expressão em um outro sistema, como ilustrado pela Figura 1.1. SISTEMA A ESQUEMA CONCEITUAL GLOBAL SISTEMA B ESQUEMA CONCEITUAL GLOBAL SOFTWARE ESPECÍFICO MODELO DE DADOS A1 MODELO DE DADOS A2 MODELO DE DADOS A3 SOFTWARE ESPECÍFICO MODELO DE DADOS B1 MODELO DE DADOS B2 MODELO DE DADOS B3 Fig. 1.1 - Utilização de um esquema conceitual global para facilitar comunicação de informações entre modelos de dados específicos. FONTE : adaptada de Yuan (1998). O desenvolvimento metodológico deste trabalho segue esta proposta. Com base para um modelo conceitual de caráter geral, adotamos a abordagem mais aceita pela comunidade, que estabelece a distinção da informação geográfica em campos (variáveis contínuas) e objetos (elementos discretos), como proposto em Goodchild (1992), Worboys (1995) e Câmara (1995). Este modelo está descrito em maior detalhe no Capítulo 2 do trabalho e está sendo adotado, com alguns ajustes, pelo consórcio OPENGIS. 31
1.5 - Contribuição do trabalho Este trabalho contribui para a área de geoprocessamento sob as perspectivas teóricas e práticas. Na perspectiva teórica podemos citar: 1) A investigação e o esclarecimento de conceitos provenientes da especificação padrão OPENGIS, referência para a modelagem de SIGs abertos e interoperáveis. 2) A realização de um estudo de aderência e tradução de três SIGs de mercado (ARC/INFO, MGE e SPRING) para o padrão OGIS, sob a visão semântica. 3) A tradução semântica entre os SIGs anteriormente citados. 4) Análise e justificativas das compatibilidades e incompatibilidades semânticas decorrentes do processo de tradução realizados nos dois itens anteriores. O grau de automação e interferência do usuário nas traduções é determinado por estas análises. Na perspectiva prática podemos citar as seguintes contribuições: fornecimento de uma noção do grau de aplicabilidade prática da idéia de interoperabilidade semântica e desenvolvimento de uma ferramenta computacional, como protótipo, para auxiliar a interoperabilidade semântica entre os SIGs citados e entre estes e o padrão OGIS. As traduções semâticas apresentadas neste trabalho são um reflexo de um estudo e posterior análise das terminologias que definem a semântica dos 32
SIGs citados e do padrão OGIS. Dado a grande distância existente entre estas terminologias, colocamos esta tradução como uma opção, não excluindo a existência de outras possíveis traduções. 1.6 - Estrutura da Dissertação Esta dissertação divide-se em sete capítulos. No primeiro Capítulo é realizado uma introdução ao trabalho. No segundo Capítulo será apresentado um histórico sobre geoprocessamento. Serão levantadas definições e características de Sistemas de Informações Geográficas - SIGs. As diferentes arquiteturas de banco de dados geográficos para a construção de SIGs também serão abordadas. No terceiro Capítulo será apresentada a técnica de modelagem de objetos (TMO) e algumas diretrizes para mapear o modelo de objetos em um ambiente relacional. Este capítulo fornece um alicerce conceitual que será utilizado para o adequado entendimento sobre os conceitos apresentados nos SIGs estudados no Capítulo 4, e o desenvolvimento prático apresentado no Capítulo 5. O Capítulo 4 será composto pela investigação de três SIGs de mercado: MGE, ARC/INFO e SPRING. Os conceitos e modelos semânticos de cada sistema serão apresentados. Uma investigação sobre o padrão OPENGIS também será abrangida por este capítulo. Por fim, um estudo e análise de aderência entre os sistemas e o padrão OPENGIS será mostrado. No quinto Capítulo serão desenvolvidas as atividade de especificação informal, formal e projeto para a construção da ferramenta GeoTMS (Tradutor de Modelos Semânticos de Geoinformação). Neste Capítulo serão apresentadas e 33
justificadas as traduções entre os modelos conceituais dos SIGs e o padrão OPENGIS e entre os SIGs. A conclusão é assunto para o sexto e último Capítulo. A contribuição do trabalho de forma específica assim como as perspectivas futuras de utilização e evolução do trabalho serão apresentadas. 34