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1INPE
Arquiteturas para BancosArquiteturas para Bancos de de Dados DadosGeográficosGeográficos
- Evolução da tecnologia
- Requisitos para SGBDG
- Acesso aos dados
- Arquitetura de BDG
INPE -INPE - Divisão Divisão de de Processamento Processamento de de Imagens Imagens
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 2
Evolução da TecnologiaEvolução da Tecnologia
• 1a. Geração de SIG (~1983-1990)
– Ambientes centralizados (UNIX): grande número defunções, complexidade e necessidade de suporte
– Ambientes PC (DOS): facilidade de uso, capacidadelimitada
• 2a. Geração de SIG (~1990-2000)
– Ambientes Distribuídos (Windows): interfacesamigáveis, funções simplificadas
• 3a. Geração de SIG (~2000)
– Uso da Internet
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 3
Evolução da TecnologiaEvolução da Tecnologia
CAD, Cartografia
Desenho de Mapas
Projetos isolados
Pacotes separados
Tecnologia
Uso princ.
Ambiente
Sistemas
BDados, Imagens
Análise Espacial
Cliente-servidor
Software integrado
Sist. Distribuídos
Centro Dados
Multi-servid., WWW
Interoperabilidade
1a. geração 2a. geração 3a. geração
(1983-1990) (1990-2000) (2000-?)
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 4
SIGs deSIGs de primeira geração primeira geração: CAD: CADcartográficocartográfico
• Tecnologia
• sistemas orientados a projetos
• enfatizam capacidade de entrada e geração demapas
• Utilização
• produção de mapeamento básico e temático
• entrada de dados sem previa definição do Bancode Dados
• trabalhos importantes, dados inacessíveis
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 5
Segunda GeraçãoSegunda Geração:: Banco dados Banco dadosgeográficogeográfico
• Tecnologia
• ambientes integrados a SGBD relacionais
• linguagem de consulta: SQL + extensões
• técnicas de controle de transações
• Utilização
• exige reorganização institucional
• SIG como parte da gerência de informações daempresa
• Banco de Dados corporativo integrado ao SIG
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 6
Metodologia consistente
Identidade de objetos
Suporte a múltiplas escalase projeções
Folheamento (“Browsing”)
Ex: Desfloretamento da Amazônia com 228 projetos com 5planos cada (fisionomia, hidro, viária, minicipios e desflor.) emuma área de 5 milhões de km2
Base de Dados de Grande Porte
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 7
Metodologia consistenteMetodologia consistente - Base de Dados de Grande Porte
• Definição única dos atributos
– ex: Tipos de Solo
R-I R-II R-III
R-IV R-V
Tipo Ph Visual
Latossolo
6.5
8.5
Cambissolo
vermelho
verde
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 8
Requisitos emergentes paraRequisitos emergentes para SGBDG SGBDG
• Definição do modelo de dados
• Identidade de objetos
• Acesso aos dados
• Gerência de transações
• Modelagem de processos
• Arquitetura multi-nível
• Extensibilidade
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 9
Definição do Modelo de Dados - Requisitos emergentes para SGBDG
• Relações de especialização e agregação
Hospital
HospitalINSS
Hospitalprivado
Rede elétrica
Poste Sub-estação
is-a part-of
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 10
is-mapped-in
Dado de Sensoriamento Remoto
Geo-objeto
Cadastral
Plano de Informação
Rede
Banco de DadosGeográficos
Temático
Geo-campo
Numérico
is-a is-a
is-a
is-a
part-of
Não-espacial
part-of part-of
Banco de Dados Geográficos é composto por conjuntos de planos de informação,
um conjunto de geo-objetos e um conjunto de objetos não-espaciais
ExemploExemplo: : Modelo Modelo SPRINGSPRING
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 11
IdentidadeIdentidade de de ObjetosObjetos - Requisitos emergentes para SGBDG
• Mapas: recortes arbitrários no espaco
• Objetos: identidade única
– representações distintas
– ex: rios da China
– rio Amarelo
– rio Yang-tsé
– rio Azul
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 12
Acesso aos dadosAcesso aos dados - Requisitos emergentes para SGBDG
• Folheamento (“browsing”)
– pesquisa interativa
• Linguagem de consulta
– critérios de seleção
• Requer mecanismos de acesso espacial
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 13
Folheamento Folheamento - (“Browsing”)- (“Browsing”) -- Acesso aos dados Acesso aos dados
• Seleção baseada em apontamento
• Propriedades
– apresentar visão geral
dos dados
– permitir seleção de região
de interesse
• Desafios
– rapidez de resposta
– interatividade
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 14
ConsultasConsultas Espaciais Espaciais -- Acesso aos dados Acesso aos dados
• Mecanismos de seleção
– atributos descritivos
• “dê-me todos os países da AL
com mais de 50 milhões de hab. “
– restrições espaciais
• “dê-me todos os países da AL
vizinhos ao Equador”
– não-espacial + espacial
• “países com mais de 50 milhões
de hab. e vizinhos ao Equador”
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 15
Consulta: Consulta: RestriçõesRestrições Espaciais Espaciais -- Acesso aos dados Acesso aos dados
• Topológicas:
– adjacência, intersecção, contido, ...
INTERCEPTA, TOCA, CRUZA, DENTRO,SEPARADO, COBRE, COBERTO_POR
– matrix de 9
intersecções
• interior
• fronteira
• exterior
disjoint meet overlap contains
coversinsidecoveredByequal
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 16
• Métricas:
– distância (NA_FAIXA, PERTO,LONGE)
Consulta: Consulta: RestriçõesRestrições Espaciais Espaciais -- Acesso aos dados Acesso aos dados
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 17
• Direcionais:
– baseadas no retângulo envolvente
NOROESTE, NORTE, NORDESTE, ...
Consulta: Consulta: RestriçõesRestrições Espaciais Espaciais -- Acesso aos dados Acesso aos dados
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 18
sem contexto com contexto
Acesso aos dadosAcesso aos dados:: consultas espaciais consultas espaciais
• Controle de apresentação
– combinação de resultados de consulta
– controle dos objetos apresentados
– apresentação do contexto espacial
• e.g. “vizinhos do Equador”
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 19
LinguagemLinguagem de de consulta consulta -- Acesso aos dados Acesso aos dados
• Extensão de SQL com operadores espaciais
– e.g. SELECT - FROM - WHERE
– OVERLAP, TOUCH, CROSS, IN, DISJOINT,COVERS, NEAR, NORTH, SOUTH, ...
– possível para exprimir consultas espaciais
– expressão pode ser complexa
• Linguagem de apresentação - não pode ser SQL
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 20
ProblemasProblemas de de otimização otimização de de consultaconsulta -- Acesso aos dados Acesso aos dados
• Métodos de acesso espacial (x convencional)
– capacidade de filtragem mais limitada
– custo computacional maior
• Otimizador
– entrada: consulta espacial
– saída: plano de implementação
• Requisitos
– semântica dos operadores
– estatísticas do banco
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 21
Exemplos de ConsultasExemplos de Consultas
• Qual a melhor estratégia?
– Seleção relacional ou espacial primeiro?
select road_name
from roads, regions
where regions_name = “ABC” and
intersects (region_location,road_location)
select all
from roads where intersects(road_location,box) and
road_name ≠ “MARGINAL TIETÊ”
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 22
MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial -- Acesso aos dados Acesso aos dados
• Estruturas de dados
– chaves multi-dimensionais
– pontos: árvores k-D
– linhas: árvores R, R+
– imagens: “quad-trees”
• SGBDG de grande porte
– métodos para memória secundária
– (árvores-VR)
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 23
K-d K-d TreeTree - - MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial
• Método de indexação de pontos
• Particionamento do espaço em duas partes
• Particionamento do espaço pára quando número
de pontos é menor do que o máximo
A
B
C
D
E
F
G H A B C D E F G H
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 24
R-R-treetree - - MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial
• Indexação através de retângulo envolvente (MBR)
• Árvore montada a partir de MBR dos objetos
A B
C
D
EF
GA B C D E F G
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 25
QuadtreesQuadtrees - - MétodosMétodos de de acesso espacial acesso espacial
• Representar dados bi-dimensionais
• Particionamento do espaco em quadrantes
• Mais apropriado para imagens
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 26
transação
GerênciaGerência de de transaçõestransações - Requisitos emergentes para SGBDG
• “Transação longa”
– associada a uma sessão
• “Check-out” : extração de região de interesse
– controle de acesso
• “Check-in”
– substuituição de área extraída
ou
– geração de nova versão
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 27
• Transação longa: Problemas
– “check-out” pode bloquear grande parte do BD
– gerência de versões: implementação difícil
• Transações particionadas (“split transactions”)
– atualização contínua durante a sessão
– cada edição = uma transação
– reduz risco de perda de resultados
GerênciaGerência de de transaçõestransações - Requisitos emergentes para SGBDG
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 28
ControleControle de de integridade integridade
• Integridade lógica
– consistência semântica de dados
– uso de regras ECA (“evento-condição-ação”)
• Integridade física
– problemas de serializar operações gráficas
– uso de “shadowing”
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 29
BancosBancos de de dados dados multi- multi-nívelnível
• Ambiente distribuído
• Hierarquia de servidores de dados
Estação local(1~10 Gb)
Servidor (10~50 Gb)
“Back-end”(50Gb~1Tb)
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 30
Arquiteturas paraArquiteturas para SGBD SGBD geográficos geográficos
• Alternativas gerais
• Dual
– ARC/INFO, SPRING
• Camadas
– System 9, Oracle-SDO
• Integrada
– GEO++ (protótipo)
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 31
ArquiteturaArquitetura Dual Dual
• Atributos convencionais - SGBD relacional
• Imagens e gráficos - sistema de arquivos
• Vantagens
• uso de SGBD de mercado
• Problemas
• otimização de consulta
• integridade lógica/física
SGBD relacional
França
Arquivos
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 32
Ambiente dual
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 33
ArquiteturaArquitetura Dual Dual
• Vantagens
– Acesso externo aos atributos (via SQL)
– Conexão dados existentes
– Ferramentas de uso (Gerador de formulários)
• Problemas
– Controle dos objetos espaciais
• Fora do gerenciador de banco de dados
– Operação em esquema mono-usuário
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 34
LigaçãoLigação SIG - SIG - Banco dados Banco dados
id label area
22 Caraíbas 3.000
Fazendas
numcad
2345
SELECT idFROM fazendasWHERE area > 2500
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 35
LigaçãoLigação SIG - SIG - Banco dados Banco dados
id label area
22 Caraíbas 3.000
numcad ITR Producao.
2345 5000 4000
Fazendas
Cadastro
numcad
2345
SELECT idFROM fazendas, cadastroWHERE fazendas.numcad =
cadastro.numcadAND ITR > 4500
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 36
ArquiteturaArquitetura em em camadas camadas
• SGBD com “campos longos”
– registros binários (atéGBytes)
– extensões da tecnologiarelacional
• Exemplos
– SDE - ESRI
– SDO - ORACLE
– GeoMedia + ACCESS
SGBD relacionalcom campos longos
Françageometria
Camada de suporte espacial
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 37
ArquiteturaArquitetura em em camadas camadas
• Vantagens
– controle de integridade dos dados espaciais
– permite accesso e atualização multi-usuário
• Problemas
– complexidade de implantação e uso
– soluções proprietárias
– limitados a arquivos vetoriais
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 38
Ambientes DistribuídosAmbientes Distribuídos
• Componentes
✔clientes
✔servidores
✔ ITESP
✔Sede
✔Regionais
clientes
Ambiente corporativo
anuncio serviços
comunic servidores
servidores
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 39
Ambientes DistribuídosAmbientes Distribuídos
• Ambiente único-centralizado
– requer implantação de “arquitetura em camadas”
– problemas de gerenciamento
• Ambiente distribuído
– cada servidor produz seu conjunto de dados
– BD corporativo alimentado “off-line”
– problemas de duplicação de dados
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 40
SIG deSIG de Terceira Geração Terceira Geração:: Bancos Bancos de deDados EspaciaisDados Espaciais
• Desafios do Geoprocessamento
• Integração de Informação
• Grandes bases de dados Espaciais
• Iniciativas de Pesquisa
• EOS (Earth Observation System)
• Programa “Digital Library Technology” (NASA)
• CNPq - Projeto GEOTEC” - INPE, UNICAMP,IBM, UFPe, PUC/RJ, UFRJ, UFG, PETROBRÁS,EMBRAPA, TELEBRÁS
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 41
Evolução da GeotecnologiaEvolução da Geotecnologia
SIGIndividual
BD GeográficoInstitucional
Centro de DadosGlobal
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Banco de Dados Geográficos: Arquiteturas 42
Evolução da TecnologiaEvolução da Tecnologia:: Custo Custo
• Prefeitura
– 400.000 hab, 100.000 contribuintes, 1.000 km2 (80km2 área urbana)
• Custo 1990 2000
Levantam.Aéreo
1.000.000 200.000
Hard/Soft (5ass.)
300.000 50.000
Banco Dados 50.000 5.000
Pessoal 4 esp. 4 esp.