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Modelagem de Banco de Dados Geográfico

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Eduardo Cheng

on 21 August 2015

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Transcript of Modelagem de Banco de Dados Geográfico

Estudo de Caso da Bacia do Lago Paranoá - DF
Modelagem de Dados Geográficos e Aplicação de Indicadores para Gestão dos Recursos Hídricos em Bacias Hidrográficas
Instituto de Geociências
Programa de Pós-Graduação em Geociências Aplicadas
Área de Concentração: Geoprocessamento e Análise Ambiental
Autor: Eduardo Costa Cheng

Banca Examinadora
Orientador: Dr. Henrique Llacer Roig
Membro Interno: Dr. José Elói Guimarães Campos
Membro Externo: Dra. Cláudia Valéria de Lima (UFG)
Agenda
Objetivos
A Gestão Integrada dos Recursos Hídricos no DF
Referencial Teórico
Arquitetura de Sistemas
Modelagem de Banco de Dados Geográficos
Construção de Banco de Dados Geográfico
Aplicação de Indicadores e Utilização da Base de Dados para Gerar Informações Sobre Recursos Hídricos
Resultados
Conclusão
Trabalhos Futuros
Objetivos
Elaboração do Modelo Conceitual
Implantação do Banco de Dados
Utilização de Sistemas de Informações Geográficas
Automatização de Indicadores para Avaliação de Vulnerabilidade e Sustentabilidade
Implantação da Infraestrutura de Banco de Dados
Área de Estudos: Lago Paranoá - DF
A Gestão Integrada do Recursos Hídricos no Distrito Federal
O Caderno Distrital dos Recursos Hídricos de 2005, descreve que apesar de o Distrito Federal ser uma região com abundante incidência de nascentes, possui cursos de água com extensões pequenas e de vazões modestas, fator limitante para o abastecimento. Naquela época, já haviam relatos de que a disponibilidade hídrica já estaria abaixo do ideal.
O Distrito Federal possui um Plano de Gerenciamento Integrado de Recursos Hídricos, mantido pela Agência Reguladora de Águas, Energia e Saneamento Básico do Distrito Federal (ADASA) que entre o período de 2004 a 2006 concebeu a primeira versão do plano, abrangendo um conjunto de bacias inseridas no DF e entorno sumarizando uma área de 67.288 Km2.
Região de abrangência do PGIRH em 2012
Cenário atual de uso e ocupação segundo o PGIRH de 2012
Verificando ainda o PGIRH (2012), observa-se o crescente aumento das áreas ocupadas por edificações, de acordo com o estudo, essa variação ocorreu principalmente nas áreas de urbanização espaçada, identificadas como regiões de condomínios e chacreamentos. Na figura um gráfico do percentual de variação entre os anos de 2003 e 2011.
Com base nestas informações e nos objetivos de Isaias (2008) que buscou a composição de indicadores de sustentabilidade de bacias hidrográficas, conclui-se que o processo de acompanhamento e manutenção torna-se periódico e cada vez mais em espaços de tempos menores devido à crescente expansão urbana, como observado nas figuras anteriores.
Fundamentos Teóricos
Modelagem Conceitual de Dados Geográficos
Abstração
Segundo o Dicionário Aurélio, abstração é o ato de separar mentalmente um ou mais elementos de uma totalidade complexa (coisa, representação, fato), os quais só mentalmente podem subsistir fora dessa totalidade.
Para Câmara et al. (2005) no contexto da representação da geoinformação é necessária a aplicação do paradigma dos quatro universos.
Retrata as percepções reais do observador, que é influenciado por suas habilidades e experiências em trabalhos semelhantes passados.
Aziz Nacib Ab'Sáber, pesquisador da USP e um dos maiores especialistas em geografia física do país.
Representa como os elementos do primeiro universo se relacionam uns com os outros, quais as características e comportamentos serão retratados. A abstração, neste universo, é utilizada para representar apenas os aspectos interessantes ao estudo.
Processo de refinamento do universo anterior. Aqui, os atributos, os tipos de dados e os algoritmos são identificados e descritos para a consolidação das estruturas de dados, sendo este, elemento básico utilizado na construção de sistemas computacionais.
É o mais próximo da realidade computacional, onde são definidas arquiteturas computacionais, linguagens e paradigmas de programação, métodos de acesso aos dados e outras componentes relacionadas à construção efetiva do sistema de informação.
Técnica de Modelagem de Objetos para Aplicações Geográficas (OMT-G) (Borges et al., 2001)
É uma extensão espacial ao modelo OMT de Rumbaugh et al. (1991).

Utiliza as notações da Unified Modeling Language (UML) (Rational Software Corporation, 1997).
Borges et al. (2001) descreve um conjunto de primitivas capaz de representar estruturas geográficas.
Notações utilizadas no OMT-G
Classes
Classes Geo-Campo
Classes Geo-Objeto com Geometria
Classes Geo-Objeto com Geometria e Topologia
Relacionamentos
GeoProfile
É um Perfil UML proposto por Sampaio (2009) que reuni a melhores características de cada técnica de modelagem de objetos geográficos.
Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE)
Criada pelo Decreto Presidencial Nº 6.666, de 27 de Novembro de 2008.
Art. 1º:

“I - promover o adequado ordenamento na geração, no armazenamento, no acesso, no compartilhamento, na disseminação e no uso dos dados geoespaciais de origem federal, estadual, distrital e municipal, em proveito do desenvolvimento do País;

II - promover a utilização, na produção dos dados geoespaciais pelos órgãos públicos das esferas federal, estadual, distrital e municipal, dos padrões e normas homologados pela Comissão Nacional de Cartografia - CONCAR; e

III - evitar a duplicidade de ações e o desperdício de recursos na obtenção de dados geoespaciais pelos órgãos da administração pública, por meio da divulgação dos metadados relativos a esses dados disponíveis nas entidades e nos órgãos públicos das esferas federal, estadual, distrital e municipal.

§ 1º Para o atendimento dos objetivos dispostos neste artigo, será implantado o Diretório Brasileiro de Dados Geoespaciais - DBDG, que deverá ter no Portal Brasileiro de Dados Geoespaciais, denominado “Sistema de Informações Geográficas do Brasil - SIG Brasil”, o portal principal para o acesso aos dados, seus metadados e serviços relacionados”.
Especificação Técnica para Estrutura de Dados Geoespaciais Vetorial (ET-EDGV)
É composto de um conjunto de modelos conceituais elaborados pelos organismos competentes a cada área de interesse, como a Agência Nacional das Águas, o Ministério das Cidades, o Exército Brasileiro, o Ministério dos Transportes e outros órgãos. Estes modelos conceituais foram construídos utilizando as especificações de modelagem da OMT-G.
Especificação Técnica para Aquisição de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-ADGV)
Padroniza a forma de aquisição e concepção dos dados geográficos. Nessa especificação, aspectos relacionados à qualidade cartográfica, escalas de representação, padronização de metadados e as orientações para a construção dos objetos geográficos são definidos.
Open Geospatial Consorsium (OGC)
Consórcio geoespacial aberto composto por um conjunto de 448 entidades de diversas categorias, que se subdividem em companhias, agências governamentais e universidades distribuídas em vários países.
Estas entidades realizam um trabalho colaborativo para a produção de padrões de interfaces para dados geoespaciais.
O OGC standard é um documento estabelecido em consenso e aprovado por membros da organização, que provém um conjunto de regras e diretrizes, objetivando a interoperabilidade em um determinado contexto de utilização. O comitê técnico de políticas e procedimentos utiliza-se das definições da International Oganization for Standardization (ISO).
Alguns padrões
Web Feature Service (WFS) - é um padrão para especificar pedidos de recuperação de características geográficas na internet usando uma plataforma independente de camada.
Web Map Service (WMS) - é um padrão que fornece uma interface HyperText Markup Language (HTML) simples para solicitar imagens geo-referenciadas de uma ou mais bases de dados geoespaciais distribuídas.
Web Coverage Service (WCS) - é um padrão que define uma interface padrão e operações que permitem o acesso interoperável para dados geoespaciais do tipo “matriz”.
Keyhole Markup Language (KML) - é um padrão de dados baseado em eXtensible Markup Language (XML) especializado para visualização de dados geográficos, incluindo anotação de mapas e imagens.
Geographic Markup Lamguage (GML) - é um padrão de dados baseado em eXtensible Markup Language (XML) para descrever características geográficas.
Simple Feature Specification (SFS) - é a especificação que fornece um modelo bem definido e comum de armazenamento de recursos geográficos em banco de dados relacionais ou objeto-relacionais.
Arquitetura de Sistemas de Informações Geográficas
Na visão de Câmara et al. (2005), a arquitetura possui este arranjo.
A principal característica que difere a arquitetura de um SIG de outro, é a forma como eles organizam e gerenciam os dados geográficos.
Tipos de Arquiteturas
Arquitetura Dual
Arquitetura Integrada Baseada em SGBDs Relacionais
Arquitetura Integrada Baseada em Extensões Espaciais sobre SGDBs Objeto-Relacionais
Extensão Espacial
PostGIS
Desenvolvimento
Materiais e Métodos
Arquitetura de Sistemas
Fases do Trabalho
1. Arquitetura de Sistemas
2. Criação do Banco de Dados
3. Automatização de Indicadores
4. Disponibilização dos Dados
Criação do Banco de Dados
Processo de Modelagem do Banco de Dados
Modelo conceitual existente na ET-EDGV, seção 1. Este modelo busca representar “o conjunto das águas interiores e oceânicas da superfície terrestre, bem como elementos, naturais ou artificiais, emersos ou submersos, contidos no ambiente”
Utilização dos Modelos de Dados
Hidrografia
Hidrologia
Modelo conceitual existente na ET-EDGV, categoria Pontos de Referência que representa os equipamentos para coleta de dados e o modelo de dados de sistema HidroWeb da ANA.
Solo
Modelo conceitual existente no SIG Solos da EMBRAPA, associado às características de capacidade carga e classes hidrológicas dos solos do SWAT.
Uso
Modelo conceitual obtido dos resultados do trabalho de Menezes (2010) (Mapas de Uso e Ocupação).
ET-EDGV: Hidrografia
Hidrologia
+
HidroWeb
ET-EDGV: Pontos de Referência
SIG Solos
+
SWAT: Capacidade de Carga e Classes Hidrológicas
Solos
Uso
Menezes (2010)
Modelo Conceitual de Banco de Dados
Modelo Conceitual Hidrologia
Modelo Conceitual de Solos
Modelo Consolidado
Utilização da Structure Query LanguageI (SQL) para a criação da estrutura computacional do banco de dados.
Select AddGeometryColumn(
<nome da tabela>,
<nome da coluna geográfica>,
<identificador da referência espacial>,
<tipo da geometria (ponto, linha, etc.)>,
<dimensão da geometria (2D, 3D, etc.)>
);
Função para adição de campo do tipo geometria:
Processo para Aplicação do Script
Carga e Atualização do Banco de Dados
Dados de Origem
TERRACAP – base de dados que compõem a rede hidrográfica, corpos d’água e hipsiográficos na escala de 1:10.000 atualizado para o ano de 2009
ANA - Informações referente as estações de monitoramento e séries históricas fornecidas por entidades responsáveis e disponibilizadas no sítio da agência na internet. Os dados obtidos aqui são do tipo hidrológico de acordo com a característica de cada instrumento de medição instalado na estação.
CAESB - informações acerca do monitoramento e séries históricas que ainda não foram atualizados na rede na ANA.
ADASA - Informações referente as estações de monitoramento e séries históricas gerenciadas pela própria agencia que não estão na rede da ANA.
LSRAE/UnB (Laboratório de Sensoriamento Remoto e Análises Espaciais da Universidade de Brasília) – Base de dados sobre uso e ocupação da terra para os anos de 1954, 1964, 1973, 1984, 1984, 1998, 2006 e 2009.
EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária) - Base de dados de solos do DF composto por perfis de solos e mapas na escla de 1:100.000 (Reatto, 2009).
Processo para Identificação e Aquisição de Dados
Processo para Análise de Atributo
Aplicação dos Indicadores Ambientais
Indicador para Escoamento Superficial (Menezes, 2010);
Indicador de Verificação do Potencial de Recarga (Gonçalves et al., 2009);
Indicador de Verificação do Potencial a Erosão (Roig, 2012).
Indicador para Escoamento Superficial (Menezes, 2010)
Adaptado de Neto et al. (1989) e Sartori (2004) define o indicador de Escoamento Superficial (RunOff). Menezes (2010) descreve conceitualmente o modelo de composição para a geração do mapa temático final de escoamento superficial.
Os indicadores quando materializados em meio computacional e apoiados por um SIG’s e sensoriamento remoto, tornam-se uma ferramenta potente para o processo de gestão territorial, especialmente na caracterização das paisagens e na análise de escalas, padrões e processos relacionados aos fenômenos ambientais (Novo, 1992).
Automatização do processo para o cálculo do RonOff utilizando a ferramenta Model Builder (ESRI, 2010).
Indicador de Verificação do Potencial de Recarga
Em Gonçalves et al. (2009) são realizadas as construções de indicadores para compor uma ferramenta de apoio à outorga dos recursos hídricos subterrâneos na região do Distrito Federal. Os indicadores caracterizados nesse trabalho foram: indicador para aferir a capacidade de máxima retenção de água dos solos, disponibilidade hídrica potencial e potencial de recarga.
Dos indicadores elaborados por Gonçalves et al. (2009), observa-se que o processo para obter a Curva Número (CN) (Ogrosky & Mockus, 1964) presente no indicador de escoamento superficial de Menezes (2010) é semelhante, pois ambas as referências utilizam a mesma metodologia de construção.
Para este trabalho o indicador que monitora o potencial de recarga foi selecionado para uso, pois é classificado como um elemento importante no processo de análise dos recursos hídrico. O fluxo conceitual de Gonçalves et al. (2009) é visualizado na figura abaixo em destaque.
O indicador do potencial de recarga foi implementado também com a ferramenta Model Builder (ESRI, 2010).
Indicador de Verificação do Potencial a Erosão
Em Roig (2012) foi elaborado um indicador para verificação do potencial à erosão, para gerar este mapa foi utilizada a Equação Universal de Perda de Solo (Universal SoilLossEquation). Abaixo o processo conceitual que descreve esta equação.
Para este trabalho o modelo conceitual proposto por Roig (2012) foi implementado na e automatizado na ferramenta Model Builder (ESRI, 2010).
Resultados
Modelo de Banco de Dados Gegoráfico
Banco de Dados Geográfico
Indicadores Iniciais
Ferramenta de SIG para Visualização
Arquitetura de Sistemas
Ferramenta SIG para Visualização
Escoamento Superficial
Disponibilidade Hídrica
Produção de Sedimentos
Com capacidade de multiplas conexões
Tecnologias PostgreSQL + PostGIS + ArcSDE
Com procedimentos automatizados
Conclusão
Técnicas computacionais de modelagem e consolidação de banco de dados geográfico
Construção de sistemas de informações geográficas
Automação de processos operacionais

São ferramentas fundamentais para apoiar a gestão recursos hídricos.

O Distrito Federal e mais especificamente a região que compreende a Bacia do Paranoá podem ser beneficiadas com ferramentas de acompanhamento e monitoramento integradas.

Trabalhos Futuros
Devido às características de organização dos dados em ambiente computacional adequado, este trabalho permite:
Incremento de novos temas relevantes ao processo de gestão
Águas Subterrâneas
Vegetação
Relevo
Geologia
Automatização e criação de novos indicadores ambientais
Obrigado pela atenção.
Representação de dados geográficos contínuos. Ex.: Chuva, Relevo, Precipitação e etc.
Representação de dados discretos. Ex.: Rios, bacias, estações de monitoramento e etc.
Ex.: Trecho de Drenagem e Ponto de Drenagem
Estruturas de Rede
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