Introdução ao SPRING

O que é SPRING?

• Banco de dados geográfico de 2º geração, para ambientes UNIX e Windows. Os sistemas desta geração são concebidos para uso em conjunto com ambientes cliente-servidor, geralmente acoplados a gerenciadores de bancos de dados relacionais, operando como um banco de dados geográfico.

• Banco de dados não-convencional onde cada dado tratado possui atributos descritivos e uma representação geométrica no espaço geográfico. Os dados disponíveis no banco podem ser manipulados por métodos de processamento de imagens e de análise geográfica.

Quais são as características principais?

• Opera como um banco de dados geográfico sem fronteiras e suporta grande volume de dados sem limitações de escala, projeção e fuso, mantendo a identidade dos objetos geográficos ao longo de todo banco.
• Administra tanto dados vetoriais como dados matriciais ("raster") e realiza a integração de dados de Sensoriamento Remoto num Sistema de Informações Geográficas. Aprimora a integração de dados geográficos, com a introdução explícita do conceito de objetos geográficos (entidades individuais), de mapas cadastrais, mapas de redes e campos.
• Provê um ambiente de trabalho amigável e poderoso, através da combinação de menus e janelas com uma linguagem espacial facilmente programável pelo usuário (LEGAL - Linguagem Espaço-Geográfica baseada em Álgebra), fornecendo ao usuário um ambiente interativo para visualizar, manipular e editar imagens e dados geográficos.
• Consegue escalonabilidade completa, isto é, é capaz de operar com toda sua funcionalidade em ambientes variando de microcomputadores a estações de trabalho RISC de alto desempenho.
• Sistema inovador, projetado inicialmente para redes de estações de trabalho baseadas na arquitetura RISC e ambiente operacional UNIX. Desenvolvido usando técnicas avançadas de programação, utilizando modelo de dados orientado-a-objetos, que melhor reflete a metodologia de trabalho de estudos ambientais e cadastrais. A interface interativa utiliza o "X Window System" e padrão de apresentação OSF/MOTIF em ambientes UNIX e "Windows" em ambientes PC-Windows.
• Adaptado a complexidade dos problemas ambientais, que requerem uma forte capacidade de integração de dados entre imagens de satélite, mapas temáticos e cadastrais e modelos numéricos de terreno. Adicionalmente, muitos dos sistemas disponíveis no mercado apresentam alta complexidade de uso e demandam tempo de aprendizado muito longo, ao contrário do SPRING.
• Preserva o investimento dos usuários dos sistemas SITIM e SGI, uma vez que todos os dados gerados nestes sistemas podem ser totalmente aproveitados (inclusive com topologia) no novo ambiente.

Quais são as vantagens do SPRING?

• Contém algoritmos inovadores, como os utilizados para indexação espacial, segmentação de imagens, classificação por regiões e geração de grades triangulares com restrições, garantem o desempenho adequado para as mais variadas aplicações, complementando os métodos tradicionais de processamento de imagens e análise geográfica.
• Base de dados é única, isto é, a estrutura de dados é a mesma quando o usuário trabalha em um microcomputador na versão Windows e em uma máquina RISC (Estações de Trabalho UNIX), não havendo necessidade de conversão de dados. O mesmo ocorre com a interface, que é exatamente a mesma, de maneira que não existe diferença no modo de operar o SPRING.

Quais plataformas e periféricos são suportados?

• Plataforma PC
  • Software:
    • Microsoft Windows-95 ou Windows-NT versão 3.51, ou
    • Solaris-X86 versão 2.4 ou posterior, ou
    • Linux versão 1.2.13.
  • Plataforma mínima de hardware:
    • Processador 486 DX2 100 Mhz,
    • Memória RAM de 16 Mbytes,
    • Disco rígido de 1 Gbytes,
    • Monitor de vídeo colorido SVGA, 14" NI, dp 0.28 mm,
    • Drive de 31/2", 1.44 Mbytes e
    • Unidade de CD-ROM (caso desejar trabalhar com imagens de satélite fornecidas pelo INPE).
• Estações RISC-UNIX
  • Estações SUN de arquitetura SPARC utilizando sistema operacional Solaris 2.4 ou posterior, ou
  • Estações IBM RISC/6000, com sistema operacional AIX 3.2.5, ou
  • Estações Silicon Graphics, series IRIS 4D, com sistema IRIX 4.0, ou
  • Estações Hewlett-Packard, series HP-700, com sistema HP-UX 9.0.
• Hardware mínimo para estações RISC-UNIX
  • 32 Mbytes de memória principal.
  • 50 Mbytes de espaço em disco para instalação mínima do SPRING.
  • 100 Mbytes de espaço em disco para os bancos de dados a serem criados pelo usuário.
• O SPRING 2.0 conta com um programa automático para instalação do sistema. Este programa carrega seletivamente os arquivos da fita para o disco, em função de parâmetros fornecidos pelo usuário.
• Periféricos como mesa digitalizadora, traçadores gráficos compatível com HPGL e impressoras coloridas compatível com PostScript também são suportados e podem ser integrados no sistema.

Quais os módulos disponíveis?

• 3 módulos, IMPIMA, SPRING e SCARTA, com o objetivo de facilitar seu uso, compartimentando as funções de manipulação de dados geocodificados.
• IMPIMA
  • Executa leitura de imagens digitais de satélite, gravadas pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), através dos dispositivos CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory ), CCT (Computer Compatible Tapes), "streamer" (60 ou 150 megabytes) e DAT (Digital Audio Tape - 4 ou 8mm) adquiridas a partir dos sensores TM/LANDSAT-5, HRV/SPOT e AVHRR/NOAA. Converte as imagens dos formatos BSQ, Fast Format, BIL e 1B para o formato GRIB (Gridded Binary).
• SPRING
  • É o módulo principal de entrada, manipulação e transformação de dados geográficos, executando as funções relacionadas à criação, manipulação de consulta ao banco de dados, funções de entrada de dados, processamento digital de imagens, modelagem numérica de terreno e análise geográfica de dados.
  • As funções da janela principal, na barra de menus, estão divididas em: Arquivo, Editar, Exibir, Imagem, Temático, Numérico Cadastral, Rede, Objetos e Utilitários. Para cada opção há um menu (janela de diálogo) associado com as operações específicas.
• SCARTA
  • Edita uma carta e gera arquivo para impressão a partir de resultados gerados no módulo principal SPRING, permitindo a apresentação na forma de um documento cartográfico.
  • Permite editar textos, símbolos, legendas, linhas, quadros e grades em coordenadas planas ou geográficas. Permite exibir mapas em várias escalas, no formato varredura ou vector, através do recurso "O que você vê é o que você tem" (What You See Is What You Get, Wysiwyg).

Introdução ao Geoprocessamento

O que é geoprocessamento?

• Conjunto de tecnologias voltadas a coleta e tratamento de informações espaciais para um objetivo específico. As atividades envolvendo o geoprocessamento são executadas por sistemas específicos mais comumente chamados de Sistemas de Informação Geográfica (SIG).
• Sistema de geoprocessamento é o destinado ao processamento de dados referenciados geograficamente (ou georeferenciados), desde a sua coleta até a geração de saídas na forma de mapas convencionais, relatórios, arquivos digitais, etc; devendo prever recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.

O que é um SIG?

• SIG é um sistema que processa dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos) com ênfase a análises espaciais e modelagens de superfícies.
• Algumas definições:
  • "Um conjunto manual ou computacional de procedimentos utilizados para armazenar e manipular dados georeferenciados" (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)

O que caracteriza um SIG?

• Integra numa única base de dados informações espaciais provenientes de dados cartográficos, dados de censo e cadastro urbano e rural, imagens de satélite, redes e modelos numéricos de terreno.
• Oferece mecanismos para combinar as várias informações, através de algoritmos de manipulação e análise, para consultar, recuperar e visualizar o conteúdo da base de dados e gerar mapas.
• Aplicações de um SIG
  • Ferramenta para produção de mapas;
  • Suporte para análise espacial de fenômenos;
  • Banco de dados geográficos, com funções de armazenamento e recuperação de informação espacial.

O que é análise espacial?

• Processos de análise espacial tratam dados geográficos que possuem uma localização geográfica (expressa como coordenadas em um mapa) e atributos descritivos (que podem ser representados num banco de dados convencional). Dados geográficos não existem sozinhos no espaço: tão importante quanto localizá-los é descobrir e representar as relações entre os diversos dados.
• Processos de análise espacial típicos de SIG (adaptada de Maguire, 1991).

Qual a estrutura de um SIG?

• SIG tem os seguintes componentes :
  • Interface com usuário;
  • Entrada e integração de dados;
  • Funções de processamento gráfico e de imagens;
  • 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. No nível intermediário, um SIG deve ter mecanismos de processamento de dados espaciais (entrada, edição, análise, visualização e saída). No nível mais interno do sistema, um sistema de gerência de bancos de dados geográficos oferece armazenamento e recuperação dos dados espaciais e seus atributos.

Arquitetura de Sistemas de Informação Geográfica.

Quais tipos de dados são tratados?

• Dados de diversas fontes geradoras e de formatos apresentados, com relações espaciais entre si (topologia - estrutura de relacionamentos espaciais que se pode estabelecer entre objetos geográficos).
• Dados podem ser genericamente separados em mapas temáticos, mapas cadastrais (mapas de objetos), redes, imagens e modelos numéricos de terreno.

O que são mapas temáticos?

• Contêm regiões geográficas definidas por um ou mais polígonos, como mapas de uso do solo e a aptidão agrícola de uma região.
• Armazena na forma de arcos (limites entre regiões), incluindo os nós (pontos de interseções entre arcos) para montar uma representação topológica.
• Topologia construída é do tipo arco-nó-região: arcos se conectam entre si através de nós (pontos inicial e final) e arcos que circundam uma área definem um polígono (região).
• Pode ser armazenado também no formato matricial ("raster"). A área correspondente ao mapa é dividida em células de tamanho fixo. Cada célula terá um valor correspondente ao tema mais freqüente naquela localização espacial.

Representação vetorial e matricial de um mapa temático.

• Comparação entre formatos para mapas temáticos:

O que são mapas cadastrais ou mapas de objetos?

• Ao contrário de um mapa temático, cada elemento é um objeto geográfico, que possui atributos e pode estar associado a várias representações gráficas. Por exemplo, os lotes de uma cidade são elementos do espaço geográfico que possuem atributos (dono, localização, valor venal, IPTU devido, etc.) e que podem ter representações gráficas diferentes em mapas de escalas distintas. A parte gráfica dos mapas cadastrais é armazenada em forma de coordenadas vetoriais, com a topologia associada. Não é usual representar estes dados na forma matricial.

Exemplo de mapa cadastral (países da América do Sul).

O que são redes?

• Redes são compostas por informações associadas a serviços de utilidade pública, como água, luz e telefone, redes de drenagem (bacias hidrográficas) ou malha viária.
• Cada objeto geográfico (por exemplo um cabo telefônico, transformador de rede elétrica ou cano de água) possui uma localização geográfica exata e está associado a atributos descritivos, presentes no banco de dados.
• As informações gráficas de redes são armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-nó: arcos tem um sentido de fluxo e nós tem atributos (podem ser fontes ou sorvedouros). A topologia de redes constitui um grafo, armazenando informações sobre recursos que fluem entre localizações geográficas distintas.

Elementos de Rede.

• As redes são o resultado direto da intervenção humana sobre o meio-ambiente. Cada aplicação de rede tem características próprias e com alta dependência cultural.
• A ligação com banco de dados é fundamental. Como os dados espaciais tem formatos relativamente simples, a maior parte do trabalho consiste em realizar consultas ao banco de dados e apresentar os resultados de forma adequada.
• O pacote mínimo disponível nos sistemas comerciais consiste de cálculo de caminho ótimo e crítico. Este pacote básico é insuficiente para a realização da maioria das aplicações porque cada usuário tem necessidades distintas. No caso de um sistema telefônico, uma questão pode ser: "Quais são os telefones servidos por uma dada caixa terminal?". Já para uma rede de água, pode-se perguntar: "Se injetarmos uma dada percentagem de cloro na caixa d'água de um bairro, qual a concentração final nas casas?"
• Um sistema de modelagem de redes só terá utilidade para o cliente depois de devidamente adaptado para as suas necessidades, o que pode levar vários anos. Isto impõe uma característica básica para esta aplicação: os sistemas devem ser versáteis e maleáveis

O que são imagens?

• Representam formas de captura indireta de informação espacial. Obtidas por meio de satélites, fotografias aéreas ou "scanners" aerotransportados, as imagens são armazenadas como matrizes, onde cada elemento de imagem (denominado "pixel") tem um valor proporcional à reflectância do solo para a área imageada.
• Os objetos geográficos estão contidos na imagem e para individualizá-los, é necessário recorrer a técnicas de foto-interpretação e de classificação automática.
• Características importantes de imagens de satélite são: número de bandas do espectro eletromagnético imageadas (resolução espectral), a área da superfície terrestre observada instantaneamente por cada sensor (resolução espacial) e o intervalo entre duas passagens do satélite pelo mesmo ponto (resolução temporal).
• Características gerais dos principais satélites (com os sensores) disponíveis:

Satélite (família)	Instrumento	Num. bandas	Resolução espacial	Resolução temporal
LANDSAT	MSS	4	80 m	18 dias
	TM	7	30 m	18 dias
SPOT	XS	3	20 m	27 dias
	PAN	1	10 m	27 dias
TIROS/NOAA	AVHRR	5	1100 m	6 horas
METEOSAT	MSS	4	8000 m	30 minutos
ERS	SAR banda-C	1	25 m	25 dias

O que são modelos numéricos de terreno?

• O termo modelo numérico de terreno (ou MNT) denota a representação de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Comumente associados à altimetria, podem ser utilizados para modelar outros fenômenos de variação contínua (como variáveis geofísicas e geoquímicas e batimetria).
• Dois tipos de representação podem ser utilizados:
  • Grades regulares: matriz de elementos com espaçamento fixo, onde é associado o valor estimado da grandeza na posição geográfica de cada ponto da grade.
  • Malhas triangulares: a grade é formada por conexão entre amostras do fenômeno, utilizando a triangulação de Delaunay (sujeita a restrições). A grade triangular é uma estrutura topológica vetorial do tipo arco-nó formando recortes triangulares do espaço.
• Comparação entre grade retangulares e triangulares:

	Grade triangular	Grade regular
Vantagens	Melhor representação de relevo complexo Incorporação de restrições como linhas de crista	Facilita manuseio e conversão Adequada para geofísica e visualização 3D
Problemas	Complexidade de manuseio Inadequada para visualização 3D	Representação relevo complexo Cálculo de declividade

Quais as classes de aplicações de Geoprocessamento?

• Projetos de análise espacial sobre regiões de pequeno e médio porte. Por exemplo geração de relatórios de impacto ambiental para criação de uma hidroelétrica ou traçado de uma ferrovia. Requerem grande flexibilidade e abrangência das funções do SIG, para dados de quantidade limitada, mas muito variada.
• Inventários espaciais sobre grandes regiões. Por exemplo levantamentos sistemáticos, como os feitos pelo INPE para mapear o desflorestamento na Amazônia. Ênfase maior no tratamento de grandes bases de dados, sendo que os mesmos procedimentos são repetidos para todos os dados, em regiões são muito grandes.

Qual o estado atual da tecnologia e o que se espera no futuro?

• Sistemas de informação geográfica podem ser divididos em três gerações:
  • Primeira geração - CAD cartográfico. Sistemas herdeiros da tradição de Cartografia, com suporte de bancos de dados limitado e com o paradigma típico de trabalho sendo o mapa (chamado de "cobertura" ou de "plano de informação"). Desenvolvidos a partir do início da década de 80 para ambientes da classe VAX e, a partir de 1985, para sistemas PC/DOS. Utilizada principalmente em projetos isolados, sem a preocupação de gerar arquivos digitais de dados. Esta geração também pode ser caracterizada como sistemas orientados a projeto ("project-oriented GIS").
  • Segunda geração - Banco de dados geográfico. Concebida para uso em ambientes cliente-servidor, acoplado a gerenciadores de bancos de dados relacionais e com pacotes adicionais para processamento de imagens. Chegou ao mercado no início da década de 90. Com interfaces baseadas em janelas, esta geração também pode ser vista como sistemas para suporte à instituições ("enterprise-oriented GIS").
  • Terceira geração - Bibliotecas geográficas digitais ou centros de dados geográficos. Previstos para o final da década de 90. Caracterizada pelo gerenciamento de grandes bases de dados geográficos, com acesso através de redes locais e remotas, com interface via WWW (World Wide Web). Requer tecnologias como bancos de dados distribuídos e federativos permitindo interoperabilidade, ou seja, o acesso de informações espaciais por SIGs distintos. Sistemas orientados para troca de informações entre uma instituição e os demais componentes da sociedade ("society-oriented GIS").

O que caracteriza um SIG de primeira geração?

• Sistemas com operações gráficas e de análise espacial sobre arquivos ("flat files"). Ligação com gerenciadores de bancos de dados parcial (parte das informações descritivas se encontra no sistema de arquivos) ou inexistente.
• Adequados à realização de projetos de análise espacial sobre regiões de pequeno e médio porte, enfatizando o aspecto de mapeamento.
• Permite a entrada de dados sem definição prévia do esquema conceitual, assemelhando-se a ambientes de CAD que podem representar projeções cartográficas e associar atributos a objetos espaciais.
• Não possuem suporte adequado para construir grandes bases de dados espaciais.

O que caracteriza um SIG da segunda geração?

• Concebidos operar como um banco de dados geográfico, ou seja, um banco de dados não-convencional onde os dados possuem atributos descritivos e uma representação geométrica no espaço geográfico.
• Requerem avanços em:
  • Modelagem conceitual para quebrar a dicotomia matricial-vetorial e para gerar interfaces com maior conteúdo semântico, em integração sensoriamento remoto - geoprocessamento, ou seja, integração entre mapas temáticos, modelos de terreno e imagens de satélites.
  • Representações topológicas em múltiplas escalas e projeções.
  • Linguagens de consulta, manipulação e representação de objetos espaciais de grande poder expressivo.
  • Técnicas de análise geográfica como classificação contínua e modelagem ambiental.
  • Arquiteturas de sistemas de gerência de banco de dados com novos métodos de indexação espacial, adequados às massas de dados a serem gerenciadas.
• O uso de ambientes cliente-servidor requer competência em administração em Bancos de Dados e em Redes de Computadores. Exige investimento maior para adquirir, instalar e operar sistemas gerenciadores de bancos de dados (SGBD) de mercado. As bases de dados corporativas devem estar no mesmo ambiente de SGBD utilizado pelo SIG.

O que caracteriza um SIG da terceira geração?

• Banco de dados geográfico compartilhado por um conjunto de instituições, acessível remotamente e armazenando dados geográficos, descrições acerca dos dados ("metadados") e documentos multimídia associados (texto, fotos, áudio e vídeo).
• Motivado pelo aguçar da nossa percepção dos problemas ecológicos, urbanos e ambientais, pelo interesse em entender, de forma cada vez mais detalhada, processos de mudança local e global e pela necessidade de compartilhar dados entre instituições e com a sociedade
• Núcleo básico composto por um grande banco de dados geográficos com acesso concorrente a uma comunidade de usuários, com diferentes métodos de seleção, incluindo folheamento ("browsing") e linguagem de consulta.
• Metadados (ou "dados sobre os dados") descrevendo os conjuntos de dados disponíveis localmente ou em centros associados, devendo ser suficiente para guiar a busca e com um conjunto pequeno de descritores obrigatórios, minimizando o esforço requerido para compor o metadado e maximizando a capacidade de busca disponível. Disponibilidade de dados síntese, na forma de mapas em escala reduzida que podem ser utilizados para localizar geograficamente os conjuntos de dados disponíveis. Deve permitir um refinamento do processo de consulta, estabelecendo um caminho contínuo entre o nível mais abstrato de metadados e os dados.
• Acesso por interfaces multimídia via Internet, proporcionado pelo ambiente WWW, permitindo que os dados geográficos sejam apresentados de forma pictórica (através de mapas reduzidos e imagens "quick-look").
• Navegação pictórica (browsing), ou seja, seleção baseada em apontamento na qual uma interface interativa permite ao usuário percorrer o banco de dados, acessando dados com base em sua localização espacial. Deve garantir interatividade e rapidez de resposta por meio de mecanismos de generalização.

• Interoperabilidade, ou seja, o compartilhamento de dados e procedimentos entre bancos de dados geográficos baseados em SIGs distintos, que apresentam diferenças significativas na maneira de operar e nos formatos internos de armazenamento. Necessidade de estabelecer padrões de transferência de dados e nos procedimentos de consulta, manipulação e apresentação.

- Modelo Conceptual de SPRING

- Quais são as características do modelo do SPRING?

- O que é orientação a objetos e como se aplica ao Geoprocessamento?

- Como é o processo de modelagem?

- Quais os componentes do universo Conceitual?

- Quais são as especializações de geo-campos e de geo-objetos?

- O que é plano de informação?

- O que é objeto não-espacial?

- Qual o esquema geral do universo conceitual no SPRING?

- Como se define o esquema conceitual no banco de dados do SPRING?
- Quais os componentes do universo de Representação?

- Como se relacionam os universos Conceitual e de Representação?

- Interface com Bancos de Dados