1 Sistemas de Informação Geográficas Trabalhos em desenvolvimento pelo IMPA e INPE César Candido Xavier – Mestrando CG pela COPPE/UFRJ/LCG

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Sistemas de Informação Geográficas

Trabalhos em desenvolvimento pelo IMPA e INPE

César Candido Xavier – Mestrando CG pela COPPE/UFRJ/LCG

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Objetivo

• Apresentar os principais conceitos relacionados com SIG e trabalhos em desenvolvimento por duas instituições de excelência no país, IMPA e INPE, na área.

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Roteiro• Parte I - SIG

– Informação Geográfica;– Fontes de Coleta;– Informação Geográfica e Ciência;– Sistema de Informação aplicado a dados geográficos;– Dados Espaciais, seus atributos e Combinações;– Origem do SIG;– DEM; e– SIG Vetorial e Raster;

• Parte II - DEM a partir de curvas de nível (IMPA)– Introdução;– Descrição do Problema;– Árvore topológica de Alturas;– Interpolação Morfológica;– Detalhes de Implementação; e– Resultados.

• Parte III - Intercâmbio de Dados Espaciais: Modelos, Formatos e Conversores (INPE)

– Introdução;– O problema de Interoperabilidade em Geoprocessamento;– Propostas para Interoperabilidade;– GeoBR – Descrição Geral; e– Conversor: TerraTranslator.

• Conclusão• Bibliografia

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Informação Geográfica

• Informação sobre lugares da superfície terrestre;

• Conhecimento sobre onde está algo;

• Conhecimento sobre o que existe em determinada localização;

• Pode, à princípio, ser tão detalhado quanto se queira;

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Fontes de Coleta• Três principais tipos:

– Sistema de Posicionamento Global –GPS (“Global Positioning System”);

– Sensoreamento Remoto; e– Sistema de Informações Geográficas –GIS

(“Geographic Information System”).

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Fontes de Coleta - GPS

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Fontes de Coleta - Sensoreamento Remoto

Landsat 7 faz pouco mais de 14 órbitas por dia, sendo sua órbita sincronizada pelo sol. Em 16 dias completos, é coberto todas as áreas entre os intervalos acima.

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Fontes de Coleta - GIS

• É um sistema para introdução, armazenamento, manipulação e saída de informações geográficas;

• Um sistema completo de GIS deve levar em consideração para resolver problemas, dar suporte a tomadas de decisões, auxiliar no planejamento etc.:

software e hardware;Dados; eUsuários.

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Informação Geográfica e Ciência• A ciência atrás da tecnologia

– Todos os dias surgem questões fundamentais referentes ao uso de sistemas e tecnologias;

– A ciência precisa manter uma tecnologia de ponta para manter-se em destaque.

• Espacial ou Geográfica ? – ’Geográfica' está diretamente relacionado com a Terra;

– ’Espacial' relaciona-se com qualquer visão multidimensional ’Geográfica' é portanto um subconjunto da Espacial !!!

• O termo ’Geoespacial' é freqüentemente utilizado.

O furacão Andrew (à direita) pôde ser rastreado em todo seu desenvolvimento, desde o meio do Oceano Atlântico até deslocamento pelo Caribe e Sudeste dos Estados Unidos.

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Sistema de Informação aplicado a dados geográficos

• Sistema: um grupo de entidades e atividades conectadas as quais interagem com um objetivo comum;

• Sistema de Informação: conjunto de processos executados sobre uma base de dados que produz “informação” a qual poderá ser útil na tomada de decisões; e

• SIG: utiliza dados geográficos referenciados assim como dados não espaciais além de incluir operações de análises de dados.

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Dados Espaciais e seus atributos

• Objetos ou entidades são referenciados pela sua localização.– Coordenadas Latitude / longitude;– coordenadas x / y;– Endereço de ruas; e– Unidade Administrativa.

• Dados que podem ser atribuídos aos objetos espaciais:– Último censo de determinada região administrativa;– Características do solo ou vegetação;– Histórico sanitário da região; e– Informação da qualidade das estradas.

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Id Pop Densidade

305 20,838 5,934

306 74,293 21,893

... ... ...

Id Tipo No Médicos

156 Clínica 17

157 Central 47

... ... ...

305

306304

303

302

154 156

157

160

155

158159

Censo Região

Hospitais

Relações dos Atributos

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Fontes de Poluição Casos de Leucemia

Combinando Conjuntos de Dados

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Informação sobre “onde” nos permite combinar conjunto de dados heterogêneos.

Combinando Conjuntos de Dados

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+

+

+

++

Aterros

UnidadesAdministrativas

Gride de Referencia

Rios

LongitudeLa

titud

e

Espaço como um sistema Indexado(Camadas)

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SIG e outros SI

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Origem do SIG

• Cartografia: mapas automáticos, operações algébricas sobre os mapas, etc;

• Sensoreamento Remoto: processamento da imagem; • Ciência da COmputação: sistemas de gerenciamento de banco de

dados; e• Geografia: análise espacial.

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Foto LANDSAT sobreposta a um DEM(Digital Elevation Model)

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Foto LANDSAT sobreposta a um DEM

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SIG Vetorial

• Pontos, linhas e áreas;• Alta qualidade nos mapas gerados; e• Representação eficiente dos relacionamentos espaciais.

– “adjacente a”;– “conectado a”;– “próximo a”;– “interseção com”;– “dentro”;– “sobrepõe”; e– etc.

Área de Cobertura Hospitais Bairros

Sobreposição

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Sistemas SIG Raster

• Dados Raster

a a a a a a b b b b ba a a a a a b b b b b

c c c b bc c c c cc

c c c c bc c c c cc

c c c c cc c c c cc

a a a b b b b bc cc

a a c c b b bc c cc

a a a a a b b b b bb

a a a a b b b b bbb

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DEM a partir de Curvas de Nível (IMPA)

• Introdução

– Há grande demanda por modelos digitais baseados em elevação e disponibilidade de dados de terreno na forma de curva de nível;

– Objetivo: apresentar algoritmos de conversão de dados de terreno em curva de nível para DEM, mostrando todo o “pipeline” para a conversão de dados de curvas de nível, armazenadas em formato digital vetorial, para um modelo de elevação final, com resolução definida pelo usuário.

Obs.: a idéia final do projeto é montar um Banco de Dados, cobrindo todo o território nacional (projeto do Ministério da Ciência e Tecnologia).

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• Descrição do Problema– Dado um conjunto de curvas poligonais

simples e fechadas, representando as curvas de níveis de um terreno, devemos calcular a altura de todos os pontos em uma grade regular posta sobre o terreno.

Obs.:algumas curvas têm cotas associadas a elas mas nem todas.

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• Árvore topológica de altura– Baseado na informação de

altura de algumas curvas podemos determinar as cotas das curvas restantes (geralmente de 20 em 20 metros);

– É realizada uma ordenação hierárquica das curvas baseada nas relações de inclusão das envoltórias de seu contorno (“bounding box”).

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– Quando a envoltória da curva A está completamente contida na envoltória da curva B, dizemos que B é mãe de A, e que é A filha de B;

– Quando as curvas não possuem relação de mãe e filha entre suas envoltórias, dizemos que tais curvas são irmãs.

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– Teste da envoltória não é suficiente!!!

– Há necessidade de acrescentar ao teste de filho por envoltória um teste adicional baseado em ponto-em-polígono.

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• Interpolação Morfológica– Principal problema na

geração de “DEM” está na determinação de cotas de altura entre as curvas;

– Não é qualquer método de interpolação que pode ser utilizado!!!

Figura 5: Interpolação aritmética para curvas adjacentes.

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– Solução: Morfologia Matemática (método baseado em evolução geométrica); Neste método, as curvas existentes são forçadas

a se expandirem naturalmente (usando operador de dilatação) até colidirem umas com as outras. Nesta região da colisão, são definidas novas curvas que são o resultado da interpolação entre as curvas originais, com altura determinada pela média aritmética das alturas das curvas originais

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• Detalhes de implementação

Figura 6: Principais etapas do processo.

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Etapas:1. Leitura das curvas de nível

– As curvas testadas estavam no formato DGN, o qual é proprietário da INTERGRAPH; Etapa não trivial, pois estrutura DGN é complicada e não

totalmente documentada.

2. Classificação das curvas lidas– Classificação:

Fechadas: inseridas automaticamente na árvore; Abertas: passam inicialmente pela etapa de fechamento (técnica

de interpolação de Hermite) e em seguida inseridas na árvore; e Ponto Cotado.

Obs.: fins otimização, as etapas acima ocorrem simultaneamente: os dados classificados à medida que vão sendo lidos.

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3. Fechamento das curvas abertas

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4. Inserção das curvas na árvore de altura5. Atribuição de alturas a todas as curvas6. Rasterização das curvas

• A rasterização das curvas é feita pela aplicação da técnica de interpolação de contornos usando morfologia matemática, diretamente no espaço da imagem.

7. Interpolação das alturas nos pontos intermediários.

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• Problemas Encontrados:– Interpolação linear não é adequado para o problema;– Curvas de fronteira:

– Dificuldade de fechamento.

Figura 7: Problema de ambigüidade das curvas de fronteira.

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DEM a partir de Curvas de Nível (IMPA)• Resultados:

Figura 9: Etapas do resultados.

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Parte III – Intercâmbio de Dados Espaciais: Modelos, Formatos e Conversores (INPE)

• Introdução– Desafios das geotecnologias: é o intercâmbio de

dados espaciais:Falta de modelos conceituais comuns acarretam problemas

na troca de dados entre SIGs distintos;Em ambientes de sistemas heterogêneos, a conversão de

dados representa um custo entre 60% e 80% do custo total na implantação; e

No caso brasileiro é agravado pela falta de padrões nacionalmente estabelecidos e pela não disponibilidade de ferramentas de baixo custo.

– Objetivo: propor um modelo genérico para dados geográficos e um formato brasileiro de intercâmbio de dados geográficos (GeoBR), sob a forma de código aberto.

– Motivação: falta de padrões nacionalmente estabelecidos para intercâmbio de dados geográficos no país.

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Intercâmbio de Dados Espaciais: Modelos, Formatos e Conversores (INPE)

• O problema de Interoperabilidade em Geoprocessamento– Definição:

Interoperabilidade: capacidade de compartilhar informações e processos entre ambientes computacionais heterogêneos, autônomos e distribuídos.

– Expansão rede de computadores e popularização de SIG → intercâmbio de informação espacial (diminuir custos).

– Alcançar a interoperabilidade não é tarefa simples devido a complexidade da informação geográfica, e esta missão está em desenvolvimento na comunidade, pelo desenvolvimento de SIG baseados em Ontologias.

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– Interoperabilidade se dá em dois níveis:Sintático: forma utilizada pelo sistema para armazenar e

documentar seus dados.Semântico: forma de representação conceitual da

informação geográfica.

– A abordagem mais básica é a conversão sintática direta de formatos, que procura realizar a interpretação e tradução dos arquivos de informação geográfica em diferentes formatos, permitindo que um sistema compreenda os dados provenientes de outros sistemas.

– Entidades iguais podem ser denominadas por nomes diferentes ao passo que um mesmo nome pode ser utilizado para descrever entidades distintas, em domínios diferentes.

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• Propostas para a Interoperabilidade– Vem sendo tratadas pela comunidade, por iniciativas que

buscam soluções nos diferentes níveis: sintático e semântico;– Lá fora:

Padrão americano para transferência de dados SDTS (“Spatial Data Transfer Standard”);

Consórcio OpenGIS; e Padrão de metadados proposto pelo FGDC (“Federal Geographic

Data Committee).

– No Brasil: CPRM (Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais); BCDAM (Sistema de Bases Compartilhadas de Dados sobre

Amazônia); e GeoMinas: Programa Integrado de Uso de Tecnologia de

Geoprocessamento pelos Órgãos do Estado de Minas Gerais.

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– Conversão Sintática: Formatos de ExportaçãoPara permitir este tipo de conversão, os SIGs trabalham com duas

alternativas: Oferecer um formato de exportação ASCII de fácil legibilidade, como

DXF(Autocad), MID/MIF (MapInfo), E00 (Arc/Info) e SPR (Spring); e Documentar as estruturas de dados internas, como no caso do SHP

(ArcView).

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– Geralmente, um arquivo descreve a geometria (pontos, linhas e áreas) das entidades geográficas e outro descreve seus atributos. Podemos dividir os formatos em dois tipos: vetoriais e matriciais (raster).

– Alguns formatos vetoriais:MIF (“MapInfo Interchange File”)

Arquivo: dados gráficos (extensão .mif) e dados tabulares (extensão .mid) (MapInfo, 2001). Além de representar as primitivas básicas (ponto, linha e polígono), há também elipses e retângulos. Entidades representadas por um ou mais polígonos são denominadas regiões, representadas no arquivo de exportação pelo elemento REGION. Não há informação explícita sobre hierarquia de polígonos para o caso de polígonos aninhados ou com buracos.

Não há formas de descrever dados em 3D (coordenadas x, y e z). A questão da toponímia é descrita pelo elemento TEXT, que descreve o texto sua posição (x,y) e estilo como fonte, tamanho e cor.

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ASCII – SPRING O software Spring oferece um formato de exportação baseado

em arquivos ASCII. Cada arquivo armazena um tipo de entidade. As informações são guardadas de forma seqüencial e palavras chaves identificam diversos tipos de dados e componentes do formato. O formato inclui além de pontos, linhas e polígonos, suporte para dados em 3D, ou amostras 3D (SAMPLES), como isolinhas (LINE3D) e pontos cotados (POINT3D).

E00 – Arc/Info Export Format Baseado em arquivos ASCII é o E00, criado pelo software

Arc/Info. Para a descrição dos dados espaciais, este formato possui as primitivas básicas de arco, nó e polígono e descreve explicitamente a topologia.

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DXF – AutoCad O formato DXF é o formato de exportação usado pelo software

AutoCad. Este se destaca no mercado como uma ferramenta CAD (Computer Aided Design). Codificado em ASCII e descreve as camadas de informação editadas no AutoCad como arquivos de desenho. Inclui vários tipos de geometria, toponímia e dados 3D.

Shape files (.SHP) Utilizado por produtos como o ArcView. Os dados são organizados em

arquivos binários com extensão .SHP com a geometria, arquivos com extensão .SHX com índices e extensão .DBF com atributos. Programas podem ser criados para ler ou escrever arquivos .SHP(shapefile) usando sua especificação técnica, (ESRI, 1998) e bibliotecas como a Shapelib, que fornece suporte para lidar com arquivos no formato em nível de programação. O formato inclui ponto, linha e polígono e tipos para o caso de entidades representadas por mais de um polígono ou polígonos com vários anéis. Não inclui topologia.

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– SDTS (“Spatial Data Transfer Standard”)É um padrão para dados de SIG. Especifica construtores de

troca,estrutura e conteúdo de dados georreferenciados vetoriais e matriciais.

Aprovado em 1992, administrado pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e adotada pelo Instituto Nacional de Padrões (ANSI);

É descrito em três partes: Parte 1: apresenta especificações lógicas requeridas para

transferência de dados espaciais e possui três componentes principais: um modelo conceitual de dados espaciais que descreve entidades do mundo real (cidades, fazendas e seus atributos), objetos espaciais (pontos, linhas, polígonos) e o relacionamento entre eles, a descrição de componentes para qualidade de dados e a descrição de construtores lógicos para formatos de transferência.

Parte 2: contém um glossário de termos com a definição de entidades, atributos, sinônimos e outros.

Parte 3: especifica como implementar a Parte 1 usando o padrão ISO/ANSI 8211 de troca de dados.

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- OpenGISEsta abordagem segue o conceito de API

(“Application Programming Interface”), um conjunto de funções usadas para comunicar com uma determinada aplicação;

Missão de distribuir, abertamente, especificações de interface espacial para uso global (OGC, 1996), e pretende definir um modelo de dados genérico e interfaces padronizadas para acesso a bancos de dados geográficos, baseadas em diferentes tecnologias, como XML, COM, Java e SQL (OGC, 1996).

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Câmara et al.(1999), apresenta uma análise do modelo conceitual de três SIGs ( Intergraph– MGE, ESRI - Arc/Info e INPE - SPRING ) e descreve o mapeamento destes para o padrão OpenGIS. As principais conclusões são: Alguns sistemas têm modelos semânticos mais ricos em conteúdo que

o OpenGIS, (como a definição de objeto no MGE e a definição de campo no SPRING), e seu mapeamento para o OpenGIS pode representar sensível perda de informação semântica (Câmara, Thomé et al., 1999).

O uso da terminologia adotada pelos principais fabricantes de SIG do mercado, em vez de simplificar processo de migração, pode ser uma fonte de desentendimento, por exemplo, o mapeamento de COVERAGES no Arc/Info para FEATURE WITH GEOMETRY no OpenGIS.

Assim, em algumas circunstâncias, onde a migração automática para o OpenGIS não é recomendada, é necessário um nível de modelagem semântica antes que o mapeamento aconteça (Câmara et al., 1999).

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- GML (“Geographic Markup Language”) O OpenGIS usa o padrão XML (eXtensible Markup Language) para definir

uma forma de codificar dados geográficos e para isso especificou a linguagem GML;

Foi especificada para o transporte e armazenamento de informação geográfica, incluindo propriedades espaciais e não espaciais das feições geográficas;

O objetivo é oferecer um conjunto de regras com as quais um usuário pode definir sua própria linguagem para descrever seus dados. Para tanto a GML é baseada em Esquema XML (XML Schema). O Esquema XML define os elementos (tags) usados em um documento que descreve os dados. Atualmente a linguagem está em sua versão 2.1.1 e esta inclui Esquemas que contêm os modelos mais básicos de geometria e feições (features).

Os Esquemas são três, a saber: Feature.xsd – define tipos e elementos concretos e abstratos de acordo com a

especificação do OpenGIS; Geometry.xsd – define a geometria de acordo com a especificação do OpenGIS;

e Xlinks.xsd – define formas de ligação entre documentos e elementos dentro de

um documento XML.

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- Avaliação – OpenGIS / GML O padrão OpenGIS inclui, até o momento, apenas operações topológicas de

consulta sobre objetos simples sem permitir a definição de relacionamentos espaciais para definição de restrições espaciais;

O uso da linguagem SQL como base para a linguagem de consulta no caso de OpenGIS é questionável. O padrão declarativo do SQL tem diversas limitações para tratar com dados geográficos, não prevendo a existência de uma linguagem de apresentação associada às consultas realizadas, e nem suporta o conceito de que o resultado de consultas retorne objetos e campos, para manipulação posterior;

GML possui pontos, linhas, polígonos e coleções geométricas (MultiPoint, MultiPolygon) definidos por coordenadas cartesianas uni, bi ou tridimensionais associados a eventuais Sistemas de Referência Espacial. Mas as localizações espaciais são definidas apenas por coordenadas cartesianas, coordenadas projetivas não estão previstas.

Dois usuários de domínios diferentes representam uma determinada entidade, pela GML, como <rio> e <curso_de_agua>. Em uma troca de dados entre os usuários, os Esquemas também devem ser compartilhados. Desta forma o problema de acesso aos dados é resolvido. Mas como saber que <rio> é <curso_de_agua> e vice-versa? O aspecto semântico não é considerado de forma efetiva a promover a interoperabilidade.

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- Uso de MetadadosMetadados são “dados sobre os dados”,

descrevem o conteúdo, condição, histórico, localização e outras características do dado, (FGDC, 2001).

O objetivo do seu uso é ter um mecanismo para identificar qual dado existe, a sua qualidade e como acessá-lo e usá-lo, facilitando a recuperação de uma informação contida em um banco de dados.

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- Ontologias (Fonseca et al., 2000) ressalta que problemas semânticos

irão persistir e impedir a interoperabilidade, e são claramente os mais difíceis nesta área. Diferentes visões da realidade geográfica sempre existirão por pessoas com culturas diferentes, pois a própria natureza é complexa e leva a percepções distintas;

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;

O uso de ontologias no desenvolvimento e uso de sistemas de informação leva ao que chamamos de Sistemas de Informação baseados em ontologias

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• GeoBR: Descrição Geral– O formato GeoBR pretende se diferenciar das

propostas descritas neste documento por incorporar os recentes avanços conceituais em Ciência da Geoinformação, e mais especificamente, pelas seguintes características:

Uso de um modelo de dados orientado-a-objetos que captura as noções de campos e objetos geográficos, e relacionamentos espaciais e hierárquicos entre as classes;

Inclusão opcional de um conjunto mínimo suficiente de informações sobre produção dos dados;

Suporte à conversão semântica pelo uso de um dicionário de termos (Ontologia); e

Suporte para incorporação futura de procedimentos de análise geográfica e relacionamentos entre entidades.

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– O formato GeoBR é especificado em XML (eXtensible Markup Language), o que torna seu conteúdo mais acessível, promovendo o intercâmbio de dados via Internet. O formato GeoBR difere dos formatos genéricos de intercâmbio, como DXF, SHP, e E00, pois enquanto estes formatos levam em conta apenas as características do sistema que gerou os dados, o GeoBR preocupa-se em atender a todo o conjunto de tecnologias de geoinformação.

– Principais diferença entre GeoBR e GML: GML requer que cada instituição defina seu Esquema de dados, o que

implica em investimento adicional para conversão de dados; GeoBR tem definições de diferentes tipos de dados (geo-campos e

geo-objetos), enquanto a versão atual do GML tem suporte apenas para geo-objetos simples (simple feature); e

GeoBR inclui uma forma unificada para intercâmbio em nível semântico.

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• Conversor – Terra Translator– Descrição Geral: O propósito do

TerraTranslator é auxiliar a tarefa de conversão de dados entre formatos provenientes de diferentes sistemas. A pretensão é suportar a leitura e escrita nos formatos mais comuns, a saber: Shape Files (ArcView – ESRI), MapInfo Interchange File (MapInfo), E00 (ArcInfo – ESRI), ASCII Spring (SPRING – INPE), e o formato proposto GeoBR.

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– Implementação do Tradutor:Orientado a Objetos (C++);Bibliotecas:

TerrraLib: uma biblioteca de classes gratuita (open source), escrita em C++, com o propósito de fornecer à comunidade, base para desenvolvimento de aplicações em SIG. É uma biblioteca espacial, e oferece suporte para componentes básicos de dados espaciais, tradutores de dados, representação de mapas, estruturas geométricas e algoritmos, modelos de dados e ferramentas de interface com o usuário;

Qt: biblioteca de classes C++, para componentes GUI (Graphic User Interface) usada para o desenvolvimento da interface com o usuário. Fornece um conjunto de objetos gráficos como botões, menus, caixas de diálogos, entre outros, que facilitam a interação do usuário com o tradutor;

SAX (“Simple API for XML”): utilizada na leitura e recuperação do conteúdo de um arquivo XML.

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Tela Principal

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Menu Principal e suas opções

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Dado proveniente de um arquivo do tipo Shape File – Geometria e Tabela de Atributos

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Dados provenientes de arquivos do tipo Shape Files (shp) e MapInfo Interchange Files (mif)

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Camadas de informação contidas no arquivo GeoBR a ser importado

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Criação de Metadados

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Projeções

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Manipulação de Atributos

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Dicionário de Termos

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Modelo de Dados

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Conclusão

Foi apresentado uma breve introdução sobre SIG e dois trabalhos na área de duas instituições de peso no cenário nacional.

Podemos constatar que esta área de pesquisa está em crescimento, e o país que a domina, conta com um importante ferramental na tomada de decisões.

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Bibliografia

• Uma Metodologia para Geração de Modelos de Elevação a partir de Curvas de Nível - ROBERTO DE BEAUCLAIR SEIXAS, LUIZ HENRIQUE DE FIGUEIREDO, CLAUDIO ANTONIO DA SILVA e PAULO CEZAR PINTO CARVALHO (IMPA–Instituto de Matemática Pura e Aplicada);

• Intercâmbio de dados espaciais: modelos, formatos e conversores - Paulo Lima (Dissertação de Mestrado em Computação Aplicada, orientada pelo Dr. Gilberto Câmara - INPE);

• Geographic Information Systems:• Satellite Remote Sensing:

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