Arquitetura de Sistemas de Informação Geográfica

João Araujo Ribeiro

Geomática

Baseado no Livro de Gilberto Câmara “Fundamentos do Geoprocessamento”

Sistemas de Informação Geográfica (SIG) são sistemas que realizam o tratamento computacional de dados geográficos e recuperam informações não apenas com base em suas características alfanuméricas, mas também através de sua localização espacial;

Para que isto seja possível, a geometria e os atributos dos dados num SIG devem estar georreferenciados, isto é, localizados na superfície terrestre e representados numa projeção cartográfica.

Para cada objeto geográfico, o SIG necessita armazenar seus atributos e as várias representações gráficas associadas.

1. como ferramenta para produção de mapas;
2. como suporte para análise espacial de fenômenos;
3. como um banco de dados geográficos, com funções de armazenamento e recuperação de informação espacial.

“Um conjunto manual ou computacional de procedimentos utilizados para armazenar e manipular dados georreferenciados” (Aronoff, 1989);

“Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real” (Burrough, 1986);

“Um sistema de suporte à decisão que integra dados referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas” (Cowen, 1988);

“Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais” (Smith et al., 1987).

1. Inserir e integrar, numa única base de dados, informações espaciais provenientes de dados cartográficos, dados censitários e cadastro urbano e rural, imagens de satélite, redes e modelos numéricos de terreno;
2. Oferecer mecanismos para combinar as várias informações, através de algoritmos de manipulação e análise, bem como para consultar, recuperar, visualizar e plotar o conteúdo da base de dados georreferenciados.

• Interface com usuário;
• Entrada e integração de dados;
• Funções de consulta e análise espacial;
• Visualização e plotagem;
• Armazenamento e recuperação de dados (organizados sob a forma de um banco de dados geográficos).

a interface homem-máquina define como o sistema é operado e controlado.

Um SIG deve ter mecanismos de processamento de dados espaciais (entrada, edição, análise, visualização e saída).

Um sistema de gerência de bancos de dados geográficos oferece armazenamento e recuperação dos dados espaciais e seus atributos.

• Operam sobre dados em uma área de trabalho em memória principal.
• A ligação entre os dados geográficos e as funções de processamento do SIG é feita por mecanismos de seleção e consulta que definem restrições sobre o conjunto de dados.

• “Recupere os dados relativos à carta de Guajará-Mirim” (restrição por definição de região de interesse);
• “Recupere as cidades do Estado de São Paulo com população entre 100.000 e 500.000 habitantes” (consulta por atributos não-espaciais).
• “Mostre os postos de saúde num raio de 5 km do hospital municipal de S.J.Campos” (consulta com restrições espaciais).

1. Arquitetura Dual
2. SIG baseado em CAD
3. SIG relacional
4. SIG orientado a objetos
5. Desktop mapping
6. SIG baseado em imagens
7. SIG integrado (imagens-vetores)

• Os comandos formulados via GUI ou via linguagem são executados pelo núcleo;
• O núcleo pode ser implementado de forma monolítica, contendo todas as funções do SIG, ou em módulos
• Os módulos podem ser comercializados separadamente, permitindo que o usuário configure seu ambiente com custos mais reduzidos.
• Codificação dos dados gráficos em estruturas proprietárias.

• Gerenciamento em separado de gráficos e alfanuméricos
• Armazenamento de gráficos em estruturas proprietárias
• Armazenamento de dados alfanuméricos em banco de dados geralmente proprietário, integrado ao produto (nem sempre relacional)

Exemplos: ARC/INFO (básico)

• Semelhante ao anterior, porém com o uso de um gerenciador de bancos de dados alfanuméricos externo, tipicamente relacional, padrão de mercado.
• SIG e o SGBD relacional, sendo produtos diferentes, precisam se comunicar de uma maneira satisfatória para realizar sua função.
• Esta comunicação é gerenciada pelo núcleo, e é restrita às operações normais de bancos de dados: inserção de dados, exclusão, consultas.

• Como o SGBD relacional não conhece a estrutura gráfica proprietária, existe o sério risco de se introduzir inconsistências no banco de dados geográfico.

• Gerenciamento de dados gráficos feito por um pacote de CAD, geralmente externo ao SIG
• Gerenciamento de dados alfanuméricos feito por um gerenciador de bancos de dados relacional externo, geralmente padrão de mercado, externo ao SIG
• Possibilidade de manipulação direta dos arquivos gráficos utilizando o sistema CAD “por fora” do SIG
• grande facilidade de utilização dos recursos de edição.

• Grande facilidade que se tem em introduzir inconsistências no banco de dados geográfico.
• enfoque está na utilização das estruturas de arquivo do CAD para armazenar os dados gráficos. Os sistemas CAD não dispõem de recursos de indexação espacial, e sempre acessam seus arquivos de forma seqüencial.
• desempenho os impede de ter arquivos muito grandes, uma vez que o custo computacional de acesso a dados organizados seqüencialmente é muito alto.
• usuário é obrigado a fracionar sua base gráfica em diversos arquivos,

• Dados gráficos e alfanuméricos armazenados de forma integrada no banco de dados relacional, externo ao SIG
• Implementação de recursos de geoprocessamento (operadores espaciais, ferramentas de análise, etc.) apoiadas no gerenciador relacional, e apresentadas como extensões ou complementações ao modelo relacional
• Grande robustez de implementação, devido às garantias de integridade do esquema relacional
• Grande estabilidade, devido ao avançado grau de desenvolvimento dos SGBD relacionais

• É necessário estender o SQL tradicional para incluir operadores geográficos, como “contém”, “contido em”, ou “vizinho a”.
• Estas extensões são implementadas no núcleo do SIG, que é responsável por traduzí-las em operações previamente existentes no SGBD.
• Alguns SGBDs incorporam com extensões essas mudanças. PostGIS, Oracle Spatial.

• Presença marcante de módulo de modelagem de dados, que dará personalidade às aplicações
• Possibilidade de conexão com gerenciador de bancos de dados relacional externo, mas a ênfase é no gerenciador de objetos, que é geralmente proprietário
• Tendência a um maior apoio em padrões, sistemas abertos e filosofia cliente-servidor

• O armazenamento de dados geográficos utilizando objetos.
• Esta função é realizada por um SGBD orientado a objetos, que pode ser um produto genérico, de mercado.

• A comunicação entre o servidor e o banco de dados orientado a objetos pode, se não for uma ligação proprietária, ser implementada com base em padrões como o ODTP (Object Data Transfer Protocol) ou o CORBA (Common Object Request Broker Architecture).

Esta é em geral uma linguagem computacionalmente completa, dotada de todos os recursos necessários para fazer uso da maior riqueza semântica do modelo de dados orientado a objetos.

Esta linguagem também poderá oferecer recursos para a construção ou para a customização da interface gráfica com o usuário, e também poderá ser usada em uma interface de linha de comandos para usuários mais experientes.

• Geralmente baseado em micro, em ambiente Windows, concentra esforços em uma boa interface de usuário e em recursos para produção de mapas para apresentação
• Funcionamento utilizando arquivos externos, desestruturados e independentes
• Ausência de um forte gerenciador de informações gráficas ou alfanuméricas, mas pode em geral comunicar-se com gerenciadores existentes

• São uma classe de aplicações de geoprocessamento que se concentram em facilitar as atividades de apresentação de informações sob o formato de mapas.
• é freqüente a utilização direta de arquivos gráficos ou alfanuméricos de outros aplicativos, tais como AutoCAD, Excel, Access, dBASE e outros

• Informações gráficas são geralmente armazenadas como arquivos independentes, devido aos grandes volumes
• Comunica-se com um banco de dados relacional externo por meio de “vetores” que são definidos sobre a imagem
• Exemplos: SPANS, IDRISI, ERDAS.

• Esta é uma classe de aplicações em que o verdadeiro “banco de dados” está na imagem e seus atributos.
• Assim, não existe um SGBD propriamente dito, apenas um conjunto de arquivos de imagem, codificados de maneira conveniente, tanto em termos de ocupação de espaço em disco quanto em termos de facilidades de recuperação.

• O recurso que é geralmente empregado por este tipo de SIG é a criação de objetos vetoriais, que podem ou não ser apresentados em sobreposição à imagem.
• Estes objetos podem ser dos tipos usuais, ou seja, pontos, linhas ou áreas, mas em no caso de áreas e linhas existe um “centróide”, que é um único ponto contido na linha ou área, e que é escolhido para ser o “ponto de referência” dos dados alfanuméricos correspondentes.

os SIGs integrados são, na maior parte dos casos, uma extensão do modelo de “arquitetura dual” para incluir gerenciamento de arquivos gráficos no formato matricial (“raster”)

• Gerenciamento em separado de dados gráficos e tabelas
• Armazenamento de gráficos em estruturas proprietárias
• Armazenamento de dados alfanuméricos em banco de dados relacional
• Capacidade de processar dados vetoriais, grades e imagens
• Exemplos: SPRING, ARC/VIEW (com extensões “Spatial Analyst” e “Image Extension”).

• Famoso “SigWeb”
• A transmissão de dados geográficos em formato vetorial pela Internet tem um obstáculo: nenhum dos browsers, as ferramentas de navegação na Internet por excelência, está preparado para receber e apresentar informações neste formato.

• Diferentes alternativas tecnológicas foram adotadas para a aquisição, o armazenamento, o processamento, a análise e a visualização destes dados, em geral em esforços isolados e independentes uns dos outros.
• Transferir dados de um formato para o outro nem sempre é simples, mas poderia ser realizado utilizando programas tradutores, capazes de ler as informações codificadas em um formato específico e regravá-las em um formato padrão, e vice-versa.
• Mas isso nem sempre é possível

Este consórcio está elaborando um padrão denominado OGIS (Open Geodata Interoperability Specification), que é uma especificação abrangente da arquitetura de software para acesso distribuído a dados geo-espaciais e a recursos de geoprocessamento em geral.

Busca uma maneira comum de representar a Terra e fenômenos relacionados a ela, matematicamente e conceitualmente;

É um modelo de especificação para a implementação de serviços de acesso a dados geográficos, incluindo seu gerenciamento, manipulação, representação e compartilhamento;

Um arcabouço para utilização do OGM e do OGIS Services Model para resolver não apenas os problemas técnicos de interoperabilidade, mas também os problemas inter-institucionais que interferem no processo.

• Cada GIS foi originalmente projetado para resolver um conjunto específico de problemas, tendo depois evoluído para se tornar uma ferramenta de uso mais amplo.
• Esta vocação original dos softwares não limita, propriamente, seu escopo de aplicação, mas o fato é que cada um terá seus pontos fortes e pontos fracos.

Representar graficamente informações de natureza espacial, associando a estes gráficos informações alfanuméricas tradicionais. Representar informações gráficas sob a forma de vetores (pontos, linhas e polígonos) e/ou imagens digitais (matrizes de pixels).

Recuperar informações com base em critérios alfanuméricos, à semelhança de um sistema de gerenciamento de bancos de dados tradicional, e com base em relações espaciais topológicas, tais como continência, adjacência e interceptação.

Realizar operações de aritmética de polígonos, tais como união, interseção e diferença. Gerar polígonos paralelos (buffers) ao redor de elementos ponto, linha e polígono.

Limitar o acesso e controlar a entrada de dados através de um modelo de dados, previamente construído.

Oferecer recursos para a visualização dos dados geográficos na tela do computador, utilizando para isto uma variedade de cores.

Interagir com o usuário através de uma interface amigável, geralmente gráfica.

Recuperar de forma ágil as informações geográficas, com o uso de algoritmos de indexação espacial.

Possibilitar a importação e exportação de dados de/para outros sistemas semelhantes, ou para outros softwares gráficos.

Oferecer recursos para a entrada e manutenção de dados, utilizando equipamentos como mouse, mesa digitalizadora e scanner.

Oferecer recursos para a composição de saídas e geração de resultados sob a forma de mapas, gráficos e tabelas, para uma variedade de dispositivos, como impressoras e plotters.

Oferecer recursos para o desenvolvimento de aplicativos específicos, de acordo com as necessidades do usuário, utilizando para isto alguma linguagem de programação, inclusive possibilitando a customização da interface do GIS com o usuário.

• Entrada de dados,
• gerenciamento de informações,
• recuperação de informações,
• manipulação e análise, e
• exibição e produção de saídas.

• Ao contrário de sistemas de banco de dados convencionais, o GIS é capaz de armazenar informações variadas, de natureza gráfica, como vetores e imagens.
• Além disto, o sistema precisa ser capaz de detectar falhas e incorreções nos dados gráficos, e sinalizá-los para o usuário antes de deixar que dados incorretos ou inconsistentes sejam incorporados ao banco de dados geográfico.

Permitir a digitalização de dados gráficos em formato vetorial, provendo os meios para associação (ou digitação) das informações alfanuméricas correspondentes. Para isto, precisa permitir a utilização de quaisquer tipos de dispositivos de entrada de dados, como mesas digitalizadoras, mouse, teclado (digitação de coordenadas), etc.;

Permitir a associação de imagens digitais ao banco de dados, através de recursos de georreferenciamento de imagens ou mesmo através da integração da imagem ao banco. Para isto, precisa ser capaz de converter ou traduzir arquivos de imagem codificados em diversos formatos distintos para o formato adotado por ele;

Realizar análises de consistência sobre os dados vetoriais, visando detectar incorreções na topologia ou inconsistências com relação ao modelo de dados. Estas incorreções incluem: erros de fechamento topológico (elementos poligonais), superposições indesejáveis, undershoots, overshoots, etc.;

Realizar procedimentos de “limpeza” ou correção sobre os dados adquiridos, visando melhorar sua qualidade e prepará-los para a incorporação ao banco de dados geográfico. Estes procedimentos incluem edge matching, eliminação de vértices desnecessários, suavização de curvas, etc.;

Receber, converter e tratar dados provenientes de outros sistemas de informação, geográficos ou não, gráficos ou não, a partir de arquivos de formato padronizado.

Uma vez formada a base de dados geográficos, o GIS precisa ser capaz de gerenciá-la.

• manter a consistência da base de dados através das operações realizadas pelos usuários;
• controlar o acesso concorrente (simultâneo) aos dados;
• garantir a integridade da relação gráfico-alfa;
• executar operações de backup e recuperação de informações;
• garantir a recuperação total ou parcial do banco em caso de falhas;
• garantir a segurança no acesso às informações contidas no banco, impedindo acessos não autorizados e limitando o acesso a dados sensíveis.

As funções de manipulação e análise de dados geográficos podem ser agrupadas de acordo com o tipo de dado tratado (correspondente a uma geometria distinta):

• análise geográfica,
• processamento de imagens,
• modelagem de terreno,
• redes,
• geodésia e fotogrametria,
• produção cartográfica.

Permite a combinação de informações temáticas. Pode ser realizada no domínio vetorial ou domínio matricial (“raster”). Suas funções incluem:

• Reclassificação;
• Intersecção (“overlay”);
• Operações, boleanas e matemáticas entre mapas; e
• Consulta ao banco de dados.

Tratamento de imagens de satélite e de “scanners”. Entre as funções necessárias estão:

• Realce por modificação de histograma;
• Filtragem espacial;
• Classificação estatística por máxima verossimilhança;
• Rotação espectral (componentes principais);
• Transformação IHS-RGB; e
• Registro.

Permite cálculo de declividade, volume, cortes transversais, linha de visada.

• Determinação do modelo ( grade regular ou triangular) a partir de pontos esparços ou linhas;
• Geração de mapas de contorno (isolinhas);
• Geração de mapas de declividade e de aspecto;
• Visualização 3D (com imagens e temas);
• Cálculo de volumes; e
• Análise de perfis.

Permite a realização, por software, de procedimentos de restituição e ortoretificação digital, antes, executados por equipamentos analógicos. Fundamental para uso em aplicações de cartografia automatizada e atualização de mapeamentos.

• O pacote mínimo disponível nos sistemas comerciais consiste tipicamente de cálculo de caminho ótimo e crítico.
• Este pacote básico é insuficiente para a realização da maioria das aplicações, pois cada usuário tem necessidades completamente distintas.
• No caso de um sistema telefônico, uma questão pode ser: “quais são todos os telefones servidos por uma dada caixa terminal ?”.
• Já para uma rede de água, pode-se perguntar: “Se injetarmos uma dada porcentagem de cloro na caixa d’água de um bairro, qual a concentração final nas casas ?.

• Produção automatizada de mapas em papel, tabelas e relatórios,
• Resposta interativa do sistema às demandas do usuário.

• Aplicações de cadastro urbano e rural, realizadas tipicamente por Prefeituras,
• escalas que usualmente variam de 1:1.000 a 1:20.000.
• A capacidade básica de SIG’s para atender este setor é dispor de funções de consulta a bancos de dados espaciais e apresentação de mapas e imagens.

• Realizada por instituições produtoras de mapeamento básico e temático.
• Neste caso, é essencial dispor de ferramentas de aerofotogrametria digital e técnicas sofisticadas de entrada de dados (como digitalizadores ópticos) e de produção de mapas (como gravadores de filme de alta resolução).

• Instituições ligadas às áreas de Agricultura, Meio-Ambiente, Ecologia e Planejamento Regional,
• Lidam com escalas típicas de 1:10.000 a 1:500.000.
• As capacidades básicas do SIG’s para atender a este segmento são: integração de dados, gerenciamento e conversão entre projeções cartográficas, modelagem numérica de terreno, processamento de imagens e geração de cartas.

• Neste segmento, temos as concessionárias de serviços (Água, Energia Elétrica, Telefonia).
• As escalas de trabalho típicas variam entre 1:1.000 a 1:5.000.
• Cada aplicação de rede tem características próprias e com alta dependência de cada usuário.

• Neste segmento, temos as empresas agropecuárias que necessitam planejar a produção e distribuição de seus produtos.
• As escalas de trabalho típicas variam entre 1:1.000 a 1:50.000.

• Neste segmento, temos as empresas que necessitam distribuir equipes de vendas e promoção ou localizar novos nichos de mercado.
• As escalas de trabalho típicas variam entre 1:1.000 a 1:10.000.

• Possibilidades de customização da interface com o usuário (redefinição da estrutura de menus e diálogos; inclusão de funções desenvolvidas pelo usuário)
• Flexibilidade da modelagem de dados
• Existência ou não de linguagem de programação para desenvolvimento de aplicativos; complexidade e completeza da linguagem de programação
• Existência ou não de versão em português; disponibilidade de documentação e/ou material de treinamento em português

• Armazenamento dos dados em base de dados geográfica contínua ou necessidade de fracionamento em mapas
• Existência ou não de restrições e controles de integridade na conexão gráfico-alfa
• Existência ou não de sistemas de indexação espacial, para recuperação rápida de informações gráficas; tipo de sistema de indexação espacial
• Disponibilidade de aplicações prontas, desenvolvidas por terceiros, na área de interesse do projeto

• Capacidades de importação e exportação de dados
• Possibilidades de operação em redes heterogêneas de equipamentos (utilização simultânea de equipamentos de diversos fabricantes diferentes)
• Capacidades de produção de saídas: mapas, cartas, mapas temáticos, gráficos, relatórios, etc.
• Recursos para conversão de dados

• Capacidades de operação simultânea por diversos usuários
• Aderência a padrões de fato ou de direito, principalmente nas áreas de bancos de dados e intercâmbio de informações
• Recursos de gerenciamento de backups e recuperação de dados
• Existência ou não de linguagem de consulta à base gráfica/alfanumérica

• Recursos de processamento de polígonos (operações de união, interseção, etc.)
• Recursos de detecção e correção de falhas nos dados gráficos
• Variedade de tipos de dispositivos de saída (plotters e impressoras) e de entrada (scanners, mesas digitalizadoras, etc.)
• Confiabilidade comercial e técnica do representante e sua equipe de suporte.

• Software de Baixo Custo
• Uso de Imagens
• Orientação a Objetos
• Padronização do Intercâmbio de Dados Geográficos
• Dados Geográficos na Internet