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Banco de Dados e Sistemas de Informação Geográfica

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Banco de Dados

eSistemas de Informação Geográfica

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Motivações para se usar Banco de Dados

� Organização de Dados� Integração� Gerenciamento� Disponibilização

2CARTOGRAFIA DIGITAL: CONCEITOS E APLICAÇÕES EM SIGMaria Isabel C.

Freitas

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Conceitos

� Banco de Dados� Conjunto de dados inter-relacionados de um dado

domínio� Ex. banco de dados geográficos, banco de dados de

RH, financeiro, etc.

� Sistema de Banco de Dados� Banco de Dados + Conjunto de programas para

armazenar, gerenciar e acessar esses dados

3Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema de BD - componentes

Software para gerenciar o banco de dados SG

BD

(D

BM

S)

Softwares p/ processar as consultas/programar

Programas de Aplicação/Consulta

Usuários/Programadores

Sis

tem

a de

Ban

co d

e D

ados

Arquivos de dados

Dicionáriode dados

4

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� Dados

� Hardware

� Software

� Usuários

Sistema de BD - componentes

5Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema de BD - componentes

� Dados� Arquivos de Dados

� Integrados (eliminando redundância)� Compartilhados por um ou vários usuários

� Dicionário de dados� Metadados sobre a estrutura do banco de dados

� Índices� Otimizam o acesso aos dados

6Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema de BD - componentes

� Hardware� Memória primária (RAM)� Memória Secundária (disco rígido)� Dispositivos de E/S

OBS: Desempenho de um sistema de banco de dados depende do número de acessos ao disco

MELHOR DESEMPENHO MENOR NÚMERO DE ACESSOS

7Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema de BD - componentes

� Software� Sistema Gerenciador de Banco de Dados

� Interface entre os dados do banco e os programas de aplicação/usuários

Banco deDados

Usuários de Aplicação Programadores de Aplicação

DB(Data Base)

Adm(DBA)

SGBD

Aplicações

8Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema de BD - componentes

� Usuários� Administrador de Banco de Dados (DBA)

� Definição e modificação de esquemas, estruturas de armazenamento e métodos de acesso; Concessão de autorização para acesso aos dados; Especificação de restrições de integridade

� Programador de aplicação� Linguagens de programação (C++, JAVA) + biblioteca de

interface (ODBC – Open DataBase Connecitivity, OCI – Oracle CallInterface) + SQL (Structured Query Language)

� Usuários de aplicação� Só acessam os dados através de aplicações

9Maria Isabel C.

Freitas

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1960 1970 1980 1990 2000

Sistemas de Gerenciamento de Arquivos

(ISAM e VSAM)

Gerenciadores de BD Hierárquicos - IMS

Gerenciadores de BD em Rede – CODASYL

Gerenciadores de Bancos de Dados

Relacionais (Oracle, DB2, SQL Server)

Gerenciadores de Bancos de Dados

Objeto Relacionais (Oracle, DB2, PostgreSQL)

Evolução

10Maria Isabel C.

Freitas

CODASYL – Conference onData Systems LanguagesIMS - InformationManagement System (IBM)

ISAM – Indexed Sequential AccessMethodVSAM – Virtual StorageAccess Method

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Sistema Gerenciador de Banco de Dados - SGBD

Data Base Management System - DBMS

� Um SGBD é um sistema de software de propósito geralque facilita os processos de definição, construção, manipulação, consulta e compartilhamento de bancos de dados entre vários usuários e aplicações. Banco de

Dados

SGBD

U1 U4U3U2

11Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema Gerenciador de BD (SGBD)

Oferece serviços para:� Armazenar, consultar e atualizar o banco de

dados � Manter a consistência e integridade dos dados

� Refletir a realidade (refletir a semântica da aplicação)� Evitar redundâncias (não controladas)� Administrar as redundâncias controladas

� Controlar acessos concorrentes� Manter a segurança dos dados

� Recuperar falhas e fazer cópias de reserva (backup)� Restringir e controlar os acessos dos usuários

12Maria Isabel C.

Freitas

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Sistema Gerenciador de BD (SGBD)

� Exemplos de SGBDs:� MySQL (SGBD de domínio público)� PostgreSQL (SGBD de domínio público)� Oracle� Informix� IBM DB2 � Microsoft SQL Server� Microsoft Access (“sistema avançado de controle de arquivos”)

13Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo de Dados

� Um Modelo de Dados é um conjunto de conceitos e símbolos que constituem um formalismo para descrever a estrutura de um banco de dados, isto é, os tipos de dados, os relacionamentos entre eles e as restrições que devem suportar.

X = 4 (5 + 8) / (9 – 3)

n+1 n+1

∑ |u ─ u |, Vn Є NiЄz i+1 i

_

Multiplicar o quatro pela soma de cinco e oito e depois dividir pela diferença entre nove e três e então atribuir o resultado a X.

?14

Maria Isabel C. Freitas

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Um Exemplo de Modelagem

� Represente matrimônios monogâmicos realizados entre pessoas de sexos opostos, onde os filhos, quando existirem, possam ser identificados e como as demais pessoas possam contrair mesmo tipo de matrimônio. As pessoas são identificadas por seu RG e, além disso, têm nome, endereço, data de nascimento e telefone. Cada casal pode ter quantos filhos desejar, inclusive nenhum, porém cada filho só tem um pai e uma mãe.

Representação Textual

Pessoas

MH

d

Casam

Geram

0

N

11

Casal

Representação por Modelagem

15Maria Isabel C.

Freitas

BD

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Tipos de Modelos de Dados� Modelo Relacional

É um modelo relativamente simples com pouca capacidade de representação semântica, porém baseado em fortes fundamentos matemáticos (teoria de conjuntos).

� Modelo Entidade–RelacionamentoÈ um modelo extremamente simples, porém, com grande capacidade de representação semântica.

� Modelos Objeto relacionaisÉ uma extensão do Modelo E-R com maior capacidade de representação semântica.

� Orientados a ObjetosUm banco de dados orientado a objeto é um banco em que cada informação é armazenada na forma de objetos, e só pode ser manipuladas através de métodos definidos pela classe que esteja o objeto.Elimina ferramentas e códigos adotados nos modelos objeto relacionais, realiza operações com dados complexos, é um sistema seguro e dispensa o DBA diminuindo custos.

16Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Relacional

� Um BD Relacional consistem em uma coleção de Tabelas, cada uma com um nome único. O conceito de tabela se originou do conceito matemático de relação . Uma tabela é constituída de linhas (tuplas) e colunas (atributos).

� Informalmente uma Tabela é uma Entidade (do modelo E-R), onde as colunas representam os atributos e as linhas os elementos da entidade.

17Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Relacional

Terminologias

Profissional Acadêmica

Tabela Relação

Linha Tupla

Coluna Atributo

Valor do campo Valor do atributo

18Maria Isabel C.

Freitas

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Definição matemática de relação

Relação

Sejam D1, D2, ..., Dn conjuntos, não necessariamente disjuntos, de valores atômicos,R é uma relação sobre esses conjuntos (os Domínios de R), sseR for um conjunto de n-uplas (tuplas) ordenadas <d1, d2, ..., dn>, de tal forma que para i =1, 2, ..., n, di є Di

Modelo Relacional

19Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Relacional

Tabela

CodigoEmp Nome CodigoDepto Função

E1 Silva D1 F2

E2 Souza D2 F1

E5 Santos D1 F1

E8 Carvalho D1 F3

(Nome do Campo(Nome do Atributo)

Linha (Tupla)

Valor do Campo(Valor do Atributo)

Emp

Coluna (Atributo)

Nome da Tabela(Nome da Relação)

Rep. Simplificada:

Emp (CodigoEmp, Nome, CodigoDepto, Função)

20Maria Isabel C.

Freitas

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Conceitos

Chave

É conjunto de um ou mais atributos que permite identificar unicamente uma tupla na relação (Chave Primária).

Chave Estrangeira

É a chave primária de uma outra relação do esquema que faz a ligação entre aquela relação e a relação onde ela é inserida.

Modelo Relacional

21Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Relacional

CodigoEmp Nome CodigoDepto Função

E1 Silva D1 F2

E2 Souza D2 F1

E5 Santos D1 F1

E8 Carvalho D1 F3

CodigoDepto Nome Local

D1 Vendas S2-B1

D2 Pessoal S5-B3

D3 Financeiro S1-B2

Emp

Depto

Chave Primária Chave Estrangeira

Chave Primária

22Maria Isabel C.

Freitas

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� Exemplos de SGBDs Relacionais:A grande maioria dos SGBDs comerciais são relacionais.

� MySQL (SGBD de domínio público)� Oracle� IBM DB2 � Microsoft SQL Server� Microsoft Access (“sistema avançado de controle de arquivos”)

Modelo Relacional

23Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Entidade – Relacionamento (ER)

� O Modelo Entidade–Relacionamento ébaseado numa abstração do mundo real (o mundo da aplicação) que consiste em uma coleção de objetos básicos, chamados entidades e os relacionamentos entre esses objetos.Uma entidade representa uma “coisa” ou um “objeto” do mundo da aplicação que édistinguível de outros “objetos”.

24Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Entidade-Relacionamento (E-R)

� Composto por:

� Entidades � Objetos básicos do mundo real� Uma entidade representa um conjunto de objetos do mesmo tipo

� Relacionamentos� Associação entre as entidades (entre objetos do mundo real)

� Atributos� Características relevantes de entidades e de relacionamentos� Cada atributo possui um domínio

25Maria Isabel C.

Freitas

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Modelo Entidade-Relacionamento (E-R)Exercício

26Maria Isabel C.

Freitas

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CIDADES

Nom

e

população

Centroide

RODOVIAS

Nom

e

Categoria

RododviaID

PontoInicial

PontoF

inal

PASSAMN N

Modelo Entidade-Relacionamento (E-R)

27Maria Isabel C.

Freitas

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SGBDs Objeto-Relacionais

� Estes SGBDs são construídos com base no modelo relacional, isto é, utilizam a estrutura de tabelas para armazenamento de dados. Entretanto, incorporam muitos dos conceitos dos modelos orientados a objeto.

� São relativamente recentes e mais adequados para aplicações ditas não convencionais, tais como, aplicações multimídia, geográficas, de engenharia, de simulação, etc.

� Em termos de modelagem são mais ricos, porém, apresentam pior desempenho, se comparados com SGBDR.

28Maria Isabel C.

Freitas

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SGBDs Objeto-Relacionais

� Exemplos de SGBDs Objeto-Relacionais:

� PostgreSQL� Cachê� Oracle 9i� Informix� IBM DB2 Universal Database

29Maria Isabel C.

Freitas

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Composiçã o e Funcionalidade do SIG

SIG

Abordagem Metodológica

Peopleware

RecursosHumanos

Novas Informações

Usuários

Equipamentos

Dados

Hardware Software

SensoriamentoRemoto

CampoMaterial

Disponível

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Sistemas de Informação Geográfica – SIG

Arquitetura dos SIGs que usam SGBDs

� Arquitetura DualUm SIG implementado com a estratégia dual utiliza um SGBD relacional para armazenar os atributos convencionais dos objetosgeográficos (na forma de tabelas) e outros tipos de arquivos para guardar as representações geométricas destes objetos.

� Arquitetura IntegradaA arquitetura Integrada consiste em armazenar todos os dados do objeto geográfico em um mesmo SGBD, tanto a componente espacial como a parte convencional.

31Maria Isabel C.

Freitas

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Sistemas de Informação Geográfica – SIG

País PIB

Brasil

Uruguai

350

295

DadosDadosEspaciaisEspaciais

DadosDadosAlfanumAlfanum ééricosricos

SIGSIG SGBDSGBD

SIG e SGBD – Arquitetura Dual

32Maria Isabel C.

Freitas

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Sistemas de Informação Geográfica – SIG

SIG e SGBD – Arquitetura Dual

� Vantagens� Acesso externo aos atributos (SQL)� Ferramentas do SGBD

� gerar formulários e relatórios

� Problemas� Falta de interoperabilidade� Consultas são divididas em duas partes� Dificuldade em manter a integridade entre os dados

espaciais e atributos� Não permite ambiente multiusuário

33Maria Isabel C.

Freitas

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Sistemas de Informação Geográfica – SIG

SIG e SGBD – Arquitetura Integrada

� Há duas alternativas de implementação para a arquitetura integrada:

� baseada em SGBD relacionais;

� baseada em extensões espaciais sobre SGBDs objeto-relacionais

34Maria Isabel C.

Freitas

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Sistemas de Informação Geográfica – SIG

DadosDados convencionaisconvencionais++

DadosDados espaciaisespaciais

SIGSIG SGBDSGBD

País PIB

Brasil

Uruguai

350

295

SIG e SGBD – Arquitetura Integrada

35Maria Isabel C.

Freitas

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Evolução das Arquiteturas de SIG

� SIG “desktop” (~1983-1990)� Ambiente monousuário� Ênfase em interfaces amigáveis e funções de análise

� SIG distribuído (~1990-2000)� Ambiente multiusuário

� Compartilhamento de dados� Ênfase em controle de acesso e manutenção de

integridade

� Servidores Web (~2000)� Uso da Internet para disseminar dados� Ênfase em eficiência de acesso e interfaces de navegação

Sistemas de Informação Geográfica – SIG

36Maria Isabel C.

Freitas

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Sistemas de Informação Geográfica – SIG

SIG Desktop

BD Geográfico Institucional

Centro de Dados Global

Banco de DadosGeográfico

Internet

Evolução das arquiteturas de SIG

37Maria Isabel C.

Freitas

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GERÊNCIA DE DADOS EM UM SIG

Modelo simplificado do contexto de um SIG

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39

1980 1990 2000

SIG DESKTOP

SIG DISTRIBUIDOS

SERVIDORES WEB

Evolução dos SIG

39

09/08/2013Maria Isabel C.

Freitas

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OS 4 UNIVERSOS

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Modelagem de dados geográficos

UniversoMundo Real

UniversoMatemático

UniversoRepresentação

UniversoImplementação

Interface usuário

Entidades da realidadea serem modeladas no

sistema

Definição matemáticadas entidades a serem

representadas

Diversas entidades formais são mapeadas para representações

geométricas e alfanuméricas no

computador

Seleção das estruturasde dados e algoritmos

baseados em desempenho, capacidade

do equipamento e Tamanho da massa de Dados. CODIFICAÇÃO

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Universo do Mundo RealDados Temáticos Vegetação e Declividade

Dados Cadastrais

Dados de Redes

Urbano e Rural

Esgoto e logradouros

Dados de MNT Geofísicos e Topográficos

Dados de Imagens Foto aérea e imagens orbitais

Nominais Ordinais

Pontos Linhas Polígonos

Topologia arco-nó: fluxo

Altimetria

Pixels

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Modelo de Campos

Espaço geográfico como uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos segundo diferentes

distribuiçõesEx.: mapa de vegetação

Modelo de Objetos

Representa o espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e

identificáveisEx.: cadastro, rios, aeroportos

Universo Conceitual

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� Superfície qualquer pertencente ao espaço geográfico, representada por um plano ou reticulado, dependente de uma projeção cartográfica.

� Base geométrica para a localização de entidades geográficas.

Região Geográfica

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� Distribuição espacial de uma variável que possui valores em todos os pontos pertencentes a uma região geográfica, num dado tempo (t)

Geo-Campos

Temático Numérico Sensor Remoto

Vegetação Altimetria Discretização

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� Elemento único que possui atributos não-espaciais e está associado a múltiplas localizações geográficas.

� A localização é o mais exata possível e o objeto é distinguível do entorno.

Geo-Objetos

Projeções Cartográficas

Representações Geométricasem diferentes escalas

Múltiplas representaçõestemporais

QuadrículasDivisão daslocalizações

RepresentaçõesGeométricas contínuas e

descontínuas

alterações

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� Não possui localizações espaciais associadas.

� Qualquer tipo de informação não georeferenciada e que se deseja agregar a um SIG.

Objeto não-espacial

Ex.: InformaçõesCadastraisGeoid Área Cadastro INCRA

22 1500 019331

Cadastro INCRA ITR Propriet

019331 12000 Evandro

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� Suporte para a representação geográfica de diferentes tipos de dados geográficos.

� Generalização dos conceitos de mapas de geo-objetos e de geo-campos.

� Representa, para uma dada região geográfica, o lugar geométrico de um conjunto de dados geográficos (um geo-campo ou um mapa de geo-objetos).

Plano de Informação

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Banco de Dados Geográficos

� Composto por conjuntos de planos de informação, um conjunto de geo-objetos e um conjunto de objetos não-espaciais.

� Repositório da informação coletada empiricamente sobre os fenômenos do mundo real:

� Coleta de Dados relativos aos fenômenos de interesse identificados na modelagem;

� Correção dos dados coletados;� Georeferenciamento dos dados

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� Banco de dados geográficos� SGBD (textual, numérico, vetorial e raster)

� Nível B ásico – interface entre o homem e a máquina; como o sistema é operado e controlado

� Nível Intermediário – mecanismos de processamento de dados espaciais (entrada, edição, análise, visualização e saída)

� Nível mais interno do sistema – sistema de gerência de banco de dados geográficos (armazenamento e recuperação de dados espaciais e seus atributos)

Banco de Dados de um SIG

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MODELO GEO-OMT

� O Modelo Geo-OMT – Geo = Terra – OMT = Técnica de Modelagem de Objetos ( Object Modeling Techinique –OMT)

� O Modelo Geo- OMT trabalha no nível conceitual/representação � Suas classes básicas são: Classes Georeferenciadas e Classes

Convencionais� Classe Georreferenciada- conjunto de objetos representados

espacialmente (Geo- Campo e Geo-Objeto);

Pictogramas de um Geo-Objeto (Simplificação por substituição Simbólica)

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Classe Convencional- Objeto Não-Espacial Técnica de Modelagem de Objeto (Objsect Modeling Technique - OMT)

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Cardinalidade

Os relacionamentos são caracterizados pela cardinalidade . A cardinalidade representa o número de instâncias de uma classe que pode estar associada a uma instância da outra classe. A notação de cardinalidade adotada pelo modelo Geo-OMT é a utilizada no Modelo de Linguagem Unificada (Unified Modeling Language -UML) por apresentar maior expressividade na sua representação do que a proposta pelo modelo OMT.

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Agregação Espacial

A agregação espacial é um caso especial de agregação onde são explicitados relacionamentos topológicos “todo-parte” [KöPS96, KöPS95, AbCa94].

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Variação por escala

A variação por escala é utilizada na representação das diferentes formas geométricas de uma mesma classe decorrente da mudança de escala. Uma escola pode ser representada por uma área (polígono) em uma escala maior e por um símbolo (ponto) em uma escala menor.

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Fontes

� Sistema de Banco de DadosSilberschatz, A; Kurth, Henry F.; Sudarshan, S.Editora Campus, Rio de Janeiro, 2006

� Sistemas de Banco de DadosElmasri, Ramez & Navathe, S.B.

Pearson Education do Brasil (Addison-Wesley), São Paulo, 2005.

� AutoCad Map: Explorando as ferramentas de mapeamento.

Góes, K. Ciência Moderna, Rio de Janeiro, 2000. 193 p.

� Introdução aos Sistemas de Banco de Dados – Curso 2005

Ferreira, Karine R. ([email protected]); Câmara, Gilberto ([email protected]); Queiroz, Gilberto R. de ([email protected]) Disponível em http://www.dpi.inpe.br/cursos/ser303

59Maria Isabel C.

Freitas