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Banco de Dados
eSistemas de Informação Geográfica
Motivações para se usar Banco de Dados
� Organização de Dados� Integração� Gerenciamento� Disponibilização
2CARTOGRAFIA DIGITAL: CONCEITOS E APLICAÇÕES EM SIGMaria Isabel C.
Freitas
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
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
� Dados
� Hardware
� Software
� Usuários
Sistema de BD - componentes
5Maria Isabel C.
Freitas
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Modelo Relacional
Terminologias
Profissional Acadêmica
Tabela Relação
Linha Tupla
Coluna Atributo
Valor do campo Valor do atributo
18Maria Isabel C.
Freitas
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
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
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
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
� 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
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
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
Modelo Entidade-Relacionamento (E-R)Exercício
26Maria Isabel C.
Freitas
CIDADES
Nom
e
população
Centroide
RODOVIAS
Nom
e
Categoria
RododviaID
PontoInicial
PontoF
inal
PASSAMN N
Modelo Entidade-Relacionamento (E-R)
27Maria Isabel C.
Freitas
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
SGBDs Objeto-Relacionais
� Exemplos de SGBDs Objeto-Relacionais:
� PostgreSQL� Cachê� Oracle 9i� Informix� IBM DB2 Universal Database
29Maria Isabel C.
Freitas
Composiçã o e Funcionalidade do SIG
SIG
Abordagem Metodológica
Peopleware
RecursosHumanos
Novas Informações
Usuários
Equipamentos
Dados
Hardware Software
SensoriamentoRemoto
CampoMaterial
Disponível
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
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
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
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
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
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
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
GERÊNCIA DE DADOS EM UM SIG
Modelo simplificado do contexto de um SIG
39
1980 1990 2000
SIG DESKTOP
SIG DISTRIBUIDOS
SERVIDORES WEB
Evolução dos SIG
39
09/08/2013Maria Isabel C.
Freitas
OS 4 UNIVERSOS
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
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
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
� 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
� 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
� 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
� 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
� 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
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
� 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
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)
Classe Convencional- Objeto Não-Espacial Técnica de Modelagem de Objeto (Objsect Modeling Technique - OMT)
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.
Agregação Espacial
A agregação espacial é um caso especial de agregação onde são explicitados relacionamentos topológicos “todo-parte” [KöPS96, KöPS95, AbCa94].
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.
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