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Um Estudo sobre Modelos Conceituais deDados para Projeto de Bancos de Dados

GeogrficosJugurta Lisboa Filho1Professor do Departamento de Informtica da Universidade Federal de ViosaDoutorando em Cincia da Computao na UFRGSMestre em Engenharia de Sistemas e Computao pela COPPE/UFRJ`reas de interesse: Sistemas de Banco de Dados, Sistemas de Informao Geo-grfica.

Cirano Iochpe2Professor do Instituto de Informtica da UFRGSProfessor orientador do Curso de Ps-Graduao em Computao da UFRGSDoutor em Cincia da Computao pela Universitt Karlsruhe, Repblica Federalda AlemanhaMestre em Cincia da Computao pela UFRGS`reas de interesse: Banco de Dados, Sistemas de Informao Geogrfica, Siste-mas de Workflow, Qualidade de Software

PALAVRAS-CHAVESistema de Informao Geogrfica (SIG) Modelo conceitual dedados Sistema de banco de dados

RESUMOModelagem conceitual tem sido aplicada com sucesso no proje-to de bancos de dados em geral. Independentes de plataformasde hardware e software, os modelos conceituais permitem repre-sentar, de maneira abstrata, formal e no ambgua, a realidade daaplicao, facilitando a comunicao entre projetistas e usurios.Aplicaes geogrficas, contudo, impem alguns requisitos es-pecficos de modelagem que no so satisfatoriamente atendi-dos pelos modelos de dados conceituais de propsito geral. Nes-te trabalho so apresentados os principais requisitos de modela-gem que devem ser atendidos por modelos conceituais para Sis-temas de Informao Geogrfica (SIG). Com base nesses requi-sitos, o artigo faz uma anlise comparativa de alguns dos mais

1 E-mail [email protected] 2 E-mail [email protected]

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conhecidos modelos conceituais de dados propostos especifica-mente para aplicaes geogrficas.

1. INTRODUOO termo Sistema de Informao Geogrfica (SIG) caracteriza os sistemas

de informao que tornam possvel a captura, modelagem, manipulao, re-cuperao, anlise e apresentao de dados referenciados geograficamente(ou dados georreferenciados) [Wor 95]. De forma geral, um software de SIG um sistema composto de quatro grandes componentes: componente de cap-tura de dados, componente de armazenamento, componente de anlise e com-ponente de apresentao dos dados.

O componente de armazenamento, denominado sistema de banco de da-dos geogrficos, estrutura e armazena os dados de forma a possibilitar a rea-lizao das operaes de anlise e consulta. Devido complexidade das apli-caes que so desenvolvidas a partir de um SIG, projetar o banco de dadosgeogrficos tem sido um dos grandes desafios para as organizaes pblicase privadas.

O projeto de um banco de dados deve ser realizado com o apoio de ummodelo de dados de alto nvel, tambm conhecido como modelo conceitual.Durante vrios anos, as pesquisas no campo dos modelos de dados para SIGcentraram-se na busca por estruturas de dados para o armazenamento dedados georreferenciados, o que ficou conhecido como debate raster-vector[Cou 92]. No final dos anos 80, iniciaram-se pesquisas sobre o uso dos con-ceitos de orientao a objetos no desenvolvimento de SIG [Fra 88, EFJ 89,WHM 90].

A necessidade de novos modelos conceituais para o desenvolvimento deaplicaes de SIG foi identificada somente no final da dcada de 80 [EF 87]).O desenvolvimento de aplicaes de SIG tem sido feito de forma nometodolgica, tendo como resultado diversos problemas decorrentes de abor-dagens evolutivas desordenadas.

Segundo Williamson [WH 91], inicialmente os tradicionais ciclos de vidade desenvolvimento de sistemas no eram aplicados em SIG porque cadasistema era visto como nico e existiam, invariavelmente, muitas incertezasquanto aos requisitos do sistema. Desta forma, a implementao de projetos-piloto e de prottipos, sob os quais as modificaes eram feitas durante odesenvolvimento, foi e tem sido a forma mais comum de desenvolvimentodesses sistemas.

Para Williamson [WH 91], as caractersticas dos dados geogrficos im-pem barreiras implementao das aplicaes de SIG, caractersticas essas

Jugurta Lisboa Filho e Cirano Iochpe

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que no aparecem na maioria dos outros sistemas de informao. Entre osproblemas citados esto a grande variedade de mtodos de aquisio de da-dos, a diferena de acurcia apresentada pelos conjuntos de dados, a falta deuma codificao adequada dos elementos sendo modelados, a ocorrncia decoberturas de dados espordicas, a necessidade de dados temporais e a in-compatibilidade entre os conjuntos de dados.

Um dos fatores agravantes no desenvolvimento das aplicaes de SIG dizrespeito ao tamanho dessas aplicaes. Por exemplo, diversas instituiespodem estar envolvidas em um mesmo projeto tendo, no entanto, diferentesobjetivos. Alm disso, o perodo de implementao pode ser medido no emmeses, mas sim em anos ou mesmo dcadas. O desenvolvimento de modelosconceituais mais adequados para a modelagem das aplicaes de SIG, inclu-indo seus bancos de dados, um dos pontos mais importantes para possibili-tar um melhor suporte ao projetista nos estgios iniciais do desenvolvimentodessas aplicaes.

Diversos autores vm propondo extenses dos modelos conceituais, tra-dicionalmente utilizados no desenvolvimento de sistemas de informao, parauso no projeto de banco de dados geogrficos. Este artigo apresenta o esta-do-da-arte em modelos conceituais de dados propostos especificamente paraSIG. A Seo 2 introduz alguns conceitos bsicos sobre modelos de dadosem banco de dados. A Seo 3 descreve o processo de modelagem conceitualde um banco de dados. A Seo 4 apresenta os principais requisitos de mode-lagem impostos pelas aplicaes de SIG, atravs dos quais os diversos mode-los conceituais de dados geogrficos so analisados. Por ltimo so apresen-tadas as concluses do trabalho.

2. MODELOS DE DADOSUm modelo de dados uma coleo de conceitos que podem ser usados

para descrever um conjunto de dados e as operaes para manipular essesdados [BCN 92]. Segundo [Nav 92], os modelos de dados podem ser classi-ficados, basicamente, em duas dimenses. Na primeira dimenso, os mode-los de dados so classificados em funo da etapa de desenvolvimento doprojeto do banco de dados em que o modelo utilizado (ex.: projeto conceitual,lgico e fsico). A segunda dimenso classifica os modelos de dados quantoa sua flexibilidade e poder de expresso.

A tarefa de projetar um banco de dados est intimamente relacionada como ciclo de vida de desenvolvimento de software onde, a cada etapa, novasinformaes e detalhes so acrescidos ao projeto do software [Pre 87]. Noprojeto de banco de dados, as informaes que comporo o banco de dadosso especificadas utilizando-se modelos de dados em diferentes nveis de

UM ESTUDO SOBRE MODELOS CONCEITUAIS DE DADOS PARA PROJETO DE BANCO DE DADOSGEOGRFICOS

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abstrao, iniciando por modelos de alto nvel de abstrao (ex.: modelo E-R[Che 76]) e refinando-se o modelo at que sejam incorporados detalhes espe-cficos, relacionados ao armazenamento dos dados (ex.: estruturas de da-dos).

Quanto escala de flexibilidade e expressividade, o termo flexibilidaderefere-se, neste contexto, facilidade com a qual o modelo pode tratar comaplicaes complexas, enquanto que a expressividade refere-se habilidadede gerar diferentes abstraes em uma aplicao [Nav 92]. Segundo esteaspecto, os modelos so classificados como: modelos primitivos (ou de ar-quivos); modelos de dados clssicos (ex.: relacional, hierrquico); modelosde dados semnticos (ex.: IFO [AH 87]); modelos semnticos de propsitoespecial - desenvolvidos para atender as demandas em reas de aplicaesespecficas (ex.: automao de escritrio, VLSI, CAD/CAM e SIG) [Bro 84].Mais recentemente esta lista foi acrescida dos modelos orientados a objetos.

Com base nessas duas classificaes, este artigo aborda os modelos se-mnticos de propsito especial, ou seja, voltados para aplicaes de SIG,com o nvel de abstrao empregado nos modelos conceituais, que so mo-delos independentes de software e/ou hardware a ser utilizado.

3. PROCESSO DE MODELAGEM CONCEITUAL DE DADOSA caracterstica bsica de um modelo de dados, como o prprio termo

explicita, que ele uma abstrao da realidade. Um modelo conceitual dedados fornece uma base formal (notacional e semntica) para ferramentas etcnicas usadas para suportar a modelagem de dados. Modelagem de dados o processo de abstrao onde somente os elementos essenciais da realidadeobservada so enfatizados, descartando-se os elementos no essenciais. Oprocesso de modelagem conceitual de banco de dados (Figura 1) compreen-de a descrio dos possveis contedos dos dados, alm de estruturas e deregras a eles aplicveis.

A modelagem conceitual sempre feita com base em algum formalismoconceitual (ex.: Entidade-Relacionamento, Orientao a Objetos) [Eur 96].O resultado do processo de modelagem, denominado esquema conceitual, apresentado atravs de uma linguagem formal de descrio que pode estarexpressa atravs de uma sintaxe e/ou uma notao grfica. Para cadaformalismo conceitual podem existir diversas linguagens de descrio deesquema que so compatveis com o formalismo.

O formalismo prov um conjunto de conceitos, elementos e regras queso usados no processo de modelagem da realidade, enquanto que a lingua-gem de descrio fornece uma gramtica para a apresentao do esquema


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conceitual resultante da modelagem. A linguagem lxica possibilita oprocessamento computacional do esquema, enquanto a notao grfica maisadequada para facilitar o entendimento e a comunicao entre seres huma-nos (ex.: usurios e projetistas). Portanto, um modelo conceitual de dadoscompreende um formalismo e uma linguagem de descrio, podendo seruma linguagem lxica e/ou grfica.

Figura 1 Processo de modelagem conceitual

4. MODELOS CONCEITUAIS DE DADOS PARA SIG

4.1 Evoluo Histrica

Modelos conceituais de dados tm sido adaptados para atender s neces-sidades impostas pelas aplicaes de SIG desde o final dos anos 80 (Figura2). A primeira extenso, da qual se tem conhecimento, foi publicada porBdard e Paquete em 1989 [BP 89]. Os modelos conceituais de dados paraSIG baseiam-se nos formalismos existentes. Alm dos formalismos de Enti-dade-Relacionamento (ER) e de Orientao a Objetos (OO), algumas exten-ses de modelos tm como base o formalismo IFO (Modelo Semntico For-mal de Banco de Dados) [AH 87]. A seguir, so sintetizados alguns comen-trios sobre os modelos mostrados na Figura 2. Maiores detalhes sobre cadaum desses modelos esto includos nas descries apresentadas nas seesseguintes.

Um Estudo sobre Modelos Conceituais de Dados para Projeto de Banco deDados Geogrficos

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Figura 2 Evoluo cronolgica dos modelosconceituais de dados para SIG


.......9891 3991 4991 5991 6991 7991 8991 ......9991

dradB noraC )R-ludoM(dradB

REomsilamroF elyoC )RESIG(rakehS )*MSU(maR

)RE-oeG(socalizdaH

OFIomsilamroF enliM anofyrT )OFIoeG(socalizdaH

initnemelC )yrotpecreP(dradB

semiT )+oegM(letnemiP )DOMG(seriP

OOomsilamroF sretsK )AOOoeG(sretsK )SIGER(erawosI

)TMO-oeG(segroB )G-TMO(segroB

)SDAM(tneraP

)emarFoeGLMU(aobsiL

oledomomsemmuedouloveacidni

Bdard [BCM+ 96] descreve uma extenso do modelo E-R [Che 76], de-nominado Modul-R, para a representao de aplicaes geogrficas urbanas.Este modelo resultado da evoluo do trabalho de pesquisa desenvolvidona Universidade Laval, Canad [BP 89, CB 93]. O modelo Modul-R serve debase para a ferramenta CASE Perceptory [Bed 99], a qual emprega oformalismo OO e utiliza a sintaxe da linguagem UML [BJR 98].

A partir das pesquisas realizadas na Universidade de Minnesota [COY96], Shekhar [SCG+ 97] prope o modelo GISER (Geographic InformationSystem Entity Relational), que uma extenso para aplicaes geogrficasdo modelo EER (E-R Estendido) [EN 94].

Ram e outros [RPB 99] propem o modelo USM* (Unifying SemanticModel), uma extenso do modelo E-R para solucionar o problema de acessoa diferentes bancos de dados geogrficos. O modelo USM* foi desenvolvidona Universidade do Arizona.

Outro modelo derivado do formalismo ER o modelo GeoER [HT 97],que uma adaptao do modelo GeoIFO [TH 95, HT 96], desenvolvido naUniversidade de Patras, Grcia. O modelo GeoIFO, juntamente com o mode-lo proposto por Milne [MMS 93], so os nicos que tm como base oformalismo IFO [AH 87, HK 87].

O modelo de Clementini [CF 94], desenvolvido na Universidade deLAquila, Itlia, apresenta uma linguagem lxica para modelagem orientadaa objetos de aplicaes geogrficas.

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O modelo MGeo [Tim 94] foi desenvolvido na Universidade Federal dePernambuco sendo, posteriormente, estendido no modelo MGeo+ [Pim 95].Este modelo introduziu o uso de bibliotecas de classes que servem de base modelagem de aplicaes geogrficas. O modelo MGeo+ descrito com baseno modelo de objetos OMT [RBP+ 91].

Pires [Pir 97] prope uma extenso do modelo de objetos OMT [RBP+91], denominado GMOD, o qual serve de base para o ambiente computacionalUAPE, que especfico para aplicaes de SIG. O Modelo GMOD/UAPE resultado de pesquisa desenvolvida na Unicamp, Campinas.

Ksters [KPS 95, KPS 97] descreve o modelo GeoOOA, uma extenso domodelo usado na metodologia de anlise orientada a objetos OOA [CY 91],para anlise de requisitos de aplicaes em SIG. O modelo GeoOOA serviude base para a implementao da ferramenta CASE REGIS [Iso 99], a qualemprega a notao grfica da linguagem UML [BJR 98]. O modelo GeoOOAfoi desenvolvido na Universidade de Hagen, Alemanha.

O modelo Geo-OMT [Bor 97], que uma extenso do modelo de objetosOMT [RBP+ 91] para aplicaes de SIG, foi desenvolvido na Fundao JooPinheiro, em Belo Horizonte. O modelo foi aprimorado para possibilitar amodelagem de restries espaciais, passando a se chamar OMT-G [BLD 99].Este modelo tem tido grande aceitao por parte de usurios/projetistas deSIG no Brasil.

O modelo conceitual MADS [PSZ+ 98, PSZ 99] tambm adota o formalismode orientao a objetos atravs da incluso de caractersticas do modelo pa-dro ODMG (Object Database Management Group) para sistemas orienta-dos a objetos [CB 97]. MADS est sendo desenvolvido na Universidade deLausanne, Sua.

Lisboa e Iochpe [LI 99] propem que a modelagem de banco de dadosgeogrficos pode ser realizada a partir de um framework conceitual chamadoGeoFrame, utilizando a linguagem de modelagem unificada UML [BJR 98],acrescida de alguns esteretipos. Esteretipo o mecanismo de extenso for-necido pela prpria UML. O framework GeoFrame foi desenvolvido na Uni-versidade Federal do Rio Grande do Sul.

Existem ainda outras propostas de modelos conceituais para SIG, masforam omitidas deste estudo devido similaridade desses trabalhos com osaqui descritos. Algumas dessas extenses esto descritas em [EF 92, BCG+93, SA 93, BX 94, Nat 94, BDM 95, Cro 96, AG 98].

4.2 Requisitos de Modelagem Conceitual para Aplicaes de SIG

Segundo Chrisman [Chr 97], um SIG prov um conjunto de atividadesorganizadas, atravs do qual as pessoas:

medem os diversos aspectos de fenmenos e processos geogrficos;


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representam estas medidas, normalmente na forma de um banco de da-dos digital, enfatizando temas espaciais, entidades e relacionamentos;

operam sobre estas representaes para produzir novas medidas e des-cobrir novos relacionamentos atravs da integrao de fontes diversas; e

transformam estas representaes para ajustar a outras estruturas de en-tidades e relacionamentos.

Desta forma, um entendimento conceitual de um SIG inclui tanto os fen-menos estticos quanto os eventos dinmicos, sendo que a localizao e ou-tras caractersticas dos fenmenos tambm so medidas sobre o tempo. Osegundo item acima, enfatiza que um SIG inclui a representao das coisassendo medidas, que so, normalmente, estruturadas na forma de temas, enti-dades e relacionamentos.

Com base na definio acima, Rugg e outros [RDE 98] descrevem umconjunto de requisitos para modelagem conceitual de SIG, onde alguns con-ceitos-chave so relacionados. So eles:

fenmenos: habilidade para descrever e modelar a morfologia das coi-sas que existem no mundo real em um dado instante de tempo;

processos: habilidade para descrever e modelar processos dinmicos,incluindo atividades contnuas e eventos discretos;

medidas: procedimentos e categorias definidas para registrar e represen-tar as caractersticas dos fenmenos;

localizao: procedimentos especficos para registrar e representar ascaractersticas de localizao dos fenmenos;

relacionamentos: habilidade para descrever e representar interaes en-tre os fenmenos;

temas: habilidade para agrupar fenmenos baseados em suas caracters-ticas, relacionamentos e outras propriedades;

operaes: habilidade para descrever e representar o comportamentodos fenmenos.

Com o objetivo de realizar um estudo comparativo entre diversas lingua-gens de esquema conceitual, no contexto de SIG, o Comit Europeu paraPadronizao (CEN) tambm definiu um conjunto de requisitos que estaslinguagens devem apresentar [Eur 96]. Entre os requisitos especificados peloComit CEN, cabe ressaltar a determinao de incluso, no modelo conceitual,dos aspectos geomtricos e dos relacionamentos topolgicos dos fenmenosgeogrficos.

Com base nestes conjuntos de requisitos e nos requisitos identificados emestudos anteriores dos autores [LI 96, Lis 97, LI 98], o seguinte conjunto de


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requisitos de modelagem usado para anlise dos principais modelosconceituais descritos na literatura.

Fenmenos geogrficos e objetos convencionais: possibilidade de dife-renciao entre fenmenos geogrficos e objetos sem referncia espacial.

Vises de campo e objetos: possibilidade de modelagem dos fenmenosnas vises de campo e de objetos.

Aspectos temticos: necessidade de organizar os fenmenos por tema. Aspectos espaciais: possibilidade de modelagem das caractersticas es-

paciais dos dados. Mltiplas representaes: possibilidade de modelagem de que um fen-

meno possa ter mais de uma representao espacial. Relacionamentos espaciais: possibilidade de diferenciao dos relacio-

namentos espaciais, incluindo restries de integridade espacial. Aspectos temporais: possibilidade de modelagem das caractersticas tem-

porais dos dados. Aspectos de qualidade: possibilidade de modelagem de metadados de

qualidade.A seguir, cada um desses requisitos apresentado em maiores detalhes,

juntamente com a contribuio de cada modelo conceitual para SIG.

4.2.1 Fenmeno Geogrfico e Objeto ConvencionalNormalmente, em um banco de dados geogrficos existem, alm dos da-

dos referentes a fenmenos georreferenciados (que possuem referncia a sualocalizao em relao superfcie da Terra), objetos convencionais presen-tes em qualquer sistema de informao. Por exemplo, uma fazenda umfenmeno geogrfico se no banco de dados esto armazenadas suas infor-maes espaciais, como os limites da fazenda. Neste mesmo banco de dadospode-se ter dados sobre proprietrios de fazendas, considerados objetos con-vencionais por no terem informaes espaciais associadas. Em um esquemaconceitual importante que se possa diferenciar, facilmente, entre classes(ou entidades) descrevendo esses dois tipos de objetos.

O modelo GMOD [Pir 97] distingue, atravs de especializao, classesque representam entidades associadas a alguma localizao geogrfica(Geo-Classe) e classes que no possuem referncia espacial (Classes Con-vencionais), mas que esto relacionadas com as primeiras. O modelo MGeo+[Pim 95] utiliza uma abordagem semelhante.

Alguns modelos diferenciam os fenmenos geogrficos dos objetos con-vencionais atravs da incluso de pequenos smbolos grficos, denominadospictogramas, nas classes que descrevem os fenmenos geogrficos. A ausn-


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cia de um pictograma significa que a classe modela um objeto convencional.Exemplos de modelos que seguem esta abordagem incluem GeoOOA [KPS97], MADS [PSZ 99], OMT-G [BLD 99] e Perceptory [Bed 99].

Lisboa e Iochpe [LI 99] definem um conjunto de esteretipos especficospara diferenciar objetos convencionais dos fenmenos geogrficos, estes l-timos ainda so especiaficados entre campos e objetos geogrficos, comodescrito na seo seguinte. A Figura 3 ilustra o uso de esteretipos definidosde acordo com o modelo UMLGeoFrame [LI 99]. Alguns esteretipos sousados para modelar o tipo de representao espacial dos fenmenos geo-grficos e esto descritos na Seo 4.2.4.

Figura 3- Diferenciando fenmenos geogrficos eobjetos convencionais

4.2.2 Vises de Campo e de ObjetosSegundo Burrough [BF 95], os modelos de dados geogrficos devem re-

fletir a maneira como as pessoas vem o mundo. Um dos princpios filosfi-cos da percepo humana dos fenmenos geogrficos que a realidade composta de entidades exatas e de superfcies contnuas.

Para Goodchild [Goo 92], a realidade geogrfica pode ser observada se-gundo duas vises: de campo e de objetos. Na viso de campo, a realidade modelada por variveis que possuem uma distribuio contnua no espao.Toda posio no espao geogrfico pode ser caracterizada atravs de umconjunto de atributos como, por exemplo, temperatura, tipo de solo e relevo,medidos para um conjunto de coordenadas geogrficas. J na viso de obje-tos, a realidade consiste de entidades individuais, bem definidas eidentificveis. Cada entidade tem suas propriedades e ocupa um determina-do lugar no espao. A realidade modelada como um grande espao ondeentidades esto distribudas sem que, necessariamente, todas as posies doespao estejam ocupadas. Duas ou mais entidades podem estar situadas so-bre uma mesma posio geogrfica.


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A classificao de fenmenos geogrficos na viso de objetos um pro-cesso natural e direto (ex.: rios so descritos pela classe Rio). No entanto, umcampo geogrfico como, por exemplo, Altimetria, no pode ser modeladodiretamente como uma classe, pois Altimetria no um objeto e, conseqen-temente, no pode ser descrito diretamente por uma classe.

Para Kemp [KV 98], existem muitas questes filosficas sobre o entendi-mento de campos geogrficos. Por exemplo, os campos s existem quandoso medidos? Os campos possuem caractersticas prprias? A atribuio deum determinado valor a uma regio real, ou apenas um mecanismoconceitual direcionado a um objetivo especfico? Apesar de estas questesno terem ainda uma resposta consensual, a definio de um campo comouma funo em um domnio, o qual um subconjunto do espao-tempo, suficientemente especfico para os propsitos computacionais.

Desta forma, a modelagem conceitual dos fenmenos geogrficos neces-sita de construtores especiais para modelar tanto os campos quanto os obje-tos geogrficos. A maioria dos modelos existentes no suporta a modelagemadequada dos fenmenos geogrficos que so percebidos na viso de cam-po. Por outro lado, todos os modelos estudados suportam a modelagem dosfenmenos na viso de objetos.

No modelo GMOD [Pir 97], a classe Geo-Classe (descrita na seo anteri-or) especializada nas subclasses Geo-Campo e Geo-Objeto, ambas forman-do duas hierarquias de classes que representam fenmenos geogrficos ob-servados segundo as vises de campo e de objetos, respectivamente.

O modelo GeoIFO [TH 95, HT 96] permite a modelagem, de forma inte-grada, dos fenmenos nas vises de campo e de objetos, atravs dos concei-tos de posio de objetos e de atributos variando no espao. Segundo Tryfona[TH 95], objetos do mundo real esto ligados ao espao atravs de sua posi-o. A posio de um objeto inclui sua localizao, forma, tamanho e orien-tao. Atributos variando no espao descrevem fenmenos do mundo realque esto relacionados diretamente ao espao e no pertencem a nenhumobjeto particular, sendo propriedades do espao. Por exemplo, segundo omodelo Geo-IFO, em um sistema de transporte de combustvel, o tipo de solodo terreno por onde passa um oleoduto pode ser modelado como um atributoda classe Oleoduto. A Figura 4 apresenta um exemplo de modelagem inte-grada de posio de objetos (ex.: posio de um oleoduto representada porum objeto de duas dimenses, isto , uma linha) e de atributos variando noespao (ex.: tipo de solo uma funo do Espao no domnio Tipo-Solo).


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Figura 4 Um exemplo de modelagemno modelo Geo-IFO

O modelo OMT-G [Bor 97] diferencia campos e objetos geogrficos atra-vs do uso de dois conjuntos distintos de pictogramas, um para a representa-o espacial de campos e outro conjunto para a representao de objetosgeogrficos. O modelo GeoOOA [KPS 97] prope uma soluo na qual osconceitos de campo geogrfico e modelo de representao raster so usadosde forma ambgua. O modelo UML-GeoFrame [LI 99] suporta esses doisprimeiros requisitos de forma unificada, conforme mostrado na Figura 3.

4.2.3 Aspectos Temticos

Os fenmenos geogrficos possuem vrios atributos, dentre os quais oque fornece sua localizao geogrfica. A localizao e a forma dos fenme-nos geogrficos so representadas atravs de objetos espaciais, associados aum sistema de coordenadas. Uma entidade geogrfica (ex.: um rio) deveestar associada a um ou mais objetos espaciais que representam sua localiza-o e sua forma sobre a superfcie terrestre. Em um SIG, as representaesespaciais das entidades geogrficas no so tratadas isoladamente, mas sim,em grupos de representaes de entidades com caractersticas e relaciona-mentos em comum. Diferentes termos como tema, camada e plano de infor-mao so encontrados na literatura, referindo-se a estes agrupamentos.

No nvel interno de um SIG, a organizao dos dados espaciais feita emcamadas fsicas (ex.: conjunto de polgonos representando os limites dos lo-tes urbanos). No entanto, embora o projeto de camadas fsicas seja um pro-blema a ser tratado nas etapas de projeto lgico ou fsico, diversos autoresafirmam que importante que camadas conceituais sejam definidas durantea fase de projeto conceitual [HT 96, BCM+ 96, Eur 96]. Segundo Hadzilacos[HT 96], camadas conceituais no necessitam ter um relacionamento um-para-um com camadas fsicas. Por exemplo, uma nica camada conceitual,como Hidrografia, pode ser armazenada em diferentes camadas fsicas, umacontendo somente os rios, outra contendo somente os lagos, etc. Neste estu-do adotou-se a nomenclatura utilizada em [Eur 96], onde uma camadaconceitual recebe a denominao de tema.


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Os modelos MGeo+ [Pim 95] e GMOD [Pir 97] permitem a modelagem dediferentes vises da rea de estudo, correspondendo a temas, atravs do con-ceito de planos de informao.

De acordo com o GeoFrame [LI 99], a rea geogrfica de interesse deuma aplicao de SIG pode ser retratada atravs de diversos temas, os quaisagrupam conjuntos de classes fortemente relacionadas entre si. A Figura 5mostra um conjunto de temas identificados e modelados formando uma hie-rarquia de temas. Temas so modelados atravs do construtor UML denomi-nado pacote [BJR98]. Ferramentas CASE para SIG esto adotando mecanis-mo semelhante. Exemplos incluem Perceptory [Bed 99] e REGIS [Iso 99]. Omodelo OMT-G [Bor 97] prope uma notao prpria para a modelagemhierrquica de temas.

Figura 5 Modelando temas segundo o modelo UMLGeoFrame

4.2.4 Aspectos Espaciais

Segundo Worboys [Wor 95], um fenmeno geogrfico possui quatro di-menses ao longo das quais os atributos so medidos: espacial, grfica, tem-poral e textual/numrica. Por exemplo, um objeto municpio pode conter osseguintes atributos: um polgono representando os limites municipais (espa-cial); um polgono e um smbolo grfico (ex.: crculos concntricos propor-cionais populao) representando sua forma cartogrfica em diferentes es-calas (grfico); data de emancipao e data em que os dados do municpioforam includos no sistema (temporal); e atributos descritivos como nome epopulao (textual/numrico). Portanto, os aspectos espaciais esto relacio-nados com a forma e localizao dos fenmenos geogrficos.

A localizao geogrfica e a abstrao da forma espacial dos fenmenosgeogrficos so representadas, no SIG, atravs de objetos espaciais. Todoobjeto espacial possui uma geometria, que representa a forma espacial dofenmeno, sendo que suas coordenadas devem estar registradas com baseem um determinado sistema de coordenadas (ex.: latitude e longitude) e umaprojeo (ex.: projeo UTM).


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A experincia dos autores mostra que, embora os aspectos espaciais dosfenmenos geogrficos possam parecer detalhes de mais para serem tratadosdurante a modelagem conceitual, a sua incluso no esquema conceitual temsido fator fundamental na comunicao com o usurio.

Na viso de objetos, os fenmenos geogrficos so representados porobjetos espaciais do tipo ponto, linha, polgono ou combinaes destes, en-quanto que na viso de campo uma superfcie contnua pode ser representa-da, por exemplo, atravs de modelos numricos, conjuntos de isolinhas,polgonos adjacentes e grade de clulas. Um SIG fornece diferentes tipos demodelos de representao, os quais permitem ao usurio representar os di-versos tipos de fenmenos geogrficos. O modelo de representao a serusado depende da finalidade da aplicao e das caractersticas do fenmeno.

Diferentes abordagens tm sido propostas para modelagem conceitual dosaspectos espaciais dos fenmenos geogrficos. A abordagem mais comum a que define uma associao entre a classe que descreve o fenmeno e aclasse do tipo de objeto espacial correspondente a sua representao espaci-al. Exemplos de modelos que seguem esta abordagem so GISER [SCG+97], GeoIFO [TH 95], Geo-ER [HT 97] e GMOD [Pir 97]. Um dos problemasque ocorre nesta abordagem a sobrecarga do esquema de dados resultante,devido ao grande nmero de novas associaes.

Para obter esquemas de dados mais legveis, alguns modelos utilizampictogramas para substituir esta associao. Entre os modelos que utilizampictogramas pode-se citar o Modul-R [BCM+ 96], que foi o pioneiro, GeoOOA[KPS 97], OMT-G [BLD 99], MADS [PSZ 99], UML-GeoFrame [LI 99], almdas ferramentas CASE Perceptory [Bed 99] e REGIS [Iso 99]. Na Figura 3duas classes (Fazenda e UsoSolo) apresentam pictogramas de representaoespacial, definidos como esteretipos no modelo UML-GeoFrame [LI 99].

Alguns modelos pioneiros, como o modelo de Clementini [CF 94], indu-ziam o projetista a cometer um equvoco de modelagem dos aspectos espaci-ais, que o de modelar classes de fenmenos geogrficos (ex.: classe Rio)como subclasse de classes de objetos espaciais (ex.: classe Linha).

4.2.5 Mltiplas Representaes

Uma das caractersticas das aplicaes geogrficas a possibilidade deexistncia de mltiplas representaes para um mesmo fenmeno geogrfi-co. Esta necessidade surge em resposta complexidade da realidade a serrepresentada e s diferentes vises que os usurios tm de um mesmo fen-meno. Um fenmeno geogrfico pode ser representado em diferentes escalasou projees, inclusive por diferentes objetos espaciais.

Mltiplas representaes so modeladas atravs da incluso de vrias as-sociaes entre o fenmeno geogrfico e os tipos de objetos espaciais corres-


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pondentes. Por exemplo, na Figura 5 a classe Municpio contm dois tipos derepresentao espacial: pontual e poligonal.

Uma classificao de diferentes tipos de combinaes possveis depictogramas apresentada por Bdard e includa no modelo Perceptory [Bed99]. Segundo Bdard, um fenmeno geogrfico pode apresentar representa-o espacial com forma complexa, alternativa, mltipla, derivada ou compli-cada (explicada textualmente em um dicionrio). Em todos os modelos cita-dos na seo anterior possvel modelar mltiplas representaes, emboramuitos no descrevam isso de forma explcita.

4.2.6 Relacionamentos Espaciais

Uma das tarefas mais importantes quando se est modelando os dados deuma aplicao a identificao de quais os relacionamentos que devero sermantidos no banco de dados, dentre os possveis relacionamentos observveisna realidade. No domnio das aplicaes geogrficas este problema bemcomplexo, uma vez que o nmero de relacionamentos possveis de seremmantidos no banco de dados ainda maior, devido existncia dos relacio-namentos espaciais entre os fenmenos geogrficos.

Diversos tipos de relacionamentos espaciais so citados na literatura [EFJ89, LT 92, Wor 95]. So eles:

relacionamentos mtricos: incluem os possveis relacionamentos entreos atributos espaciais (geomtricos) das entidades. Um exemplo o relacio-namento de distncia entre coordenadas geogrficas, que permite a execuode operaes com base no conceito de proximidade;

relacionamentos topolgicos: propriedades topolgicas so aquelas quese mantm inalteradas aps distores (ex.: mudana de projeo). Assim, osrelacionamentos topolgicos referem-se aos relacionamentos que no depen-dem exclusivamente das coordenadas dos objetos (ex.: adjacncia);

relacionamentos de composio: ocorrem quando o componente espaci-al de um objeto composto de outros objetos espaciais (objetos complexos).Por exemplo, um arquiplago composto de um conjunto de ilhas.

A maioria dos SIG fornece estruturas especiais para o armazenamentoexplcito de alguns tipos de relacionamentos espaciais (normalmente somantidos somente os relacionamentos de adjacncia ou de conectividade),deixando os demais para ser calculados a partir das coordenadas espaciaisdos objetos, durante a execuo das operaes de consulta. Muitas aplica-es no necessitam manter os relacionamentos topolgicos, embora elessempre existam. Por outro lado, existem aplicaes nas quais esses relaciona-mentos possuem significado semntico relevante, tal como vizinhana e cru-


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zamento de ruas. Nestes casos o projetista necessita especificar estas infor-maes no modelo de dados.

As cardinalidades associadas aos relacionamentos formam um conjuntode restries de integridade que devem ser mantidas entre as instncias dosobjetos no banco de dados. Para os relacionamentos espaciais, novos tiposde cardinalidade podem ser definidos, tais como associao espacial,pertinncia, etc. Um modelo conceitual de dados para SIG deve fornecermeios para que o projetista represente os relacionamentos a serem mantidosno banco de dados geogrficos. Isto inclui tanto os relacionamentos conven-cionais como os relacionamentos espaciais.

A maioria dos modelos estudados utiliza os prprios construtores de mo-delagem de relacionamentos j disponveis no formalismo de origem. Noentanto, alguns modelos definem novos construtores, como descrito a seguir.

O modelo GMOD [Pir 97] define dois novos tipos especiais de relaciona-mentos: de verso e causal. Relacionamentos de verso so usados para as-sociar diferentes verses de uma mesma entidade, enquanto um relaciona-mento causal estabelece uma ligao de causa-efeito entre dois fenmenosmodelados.

O modelo OMT-G [Bor 97] diferencia os relacionamentos espaciais dosrelacionamentos convencionais atravs de novos smbolos grficos. So de-finidos construtores abstratos para modelar alguns tipos de relacionamentostopolgicos como, por exemplo, estruturas todo-parte e de rede. Um con-junto de 29 regras de restries de integridade apresentado em [BLD 99].

As novas primitivas do modelo GeoOOA [KPS 97] suportam abstraesde estruturas todo-parte espacial, diferenciando trs tipos de estruturas: co-bertura, pertinncia e partio. Construtores especficos para modelagemde elementos de uma rede tambm so fornecidos pelo modelo GeoOOA.

De acordo com o modelo MADS [PSZ 99], os relacionamentos espaciais,assim como a existncia de atributos espaciais, so modelados atravs delinhas tracejadas.

4.2.7 Aspectos Temporais

A maioria dos SIG disponveis atualmente considera as entidades como seo mundo existisse somente no presente. Informaes geogrficas so inclu-das e alteradas ao longo do tempo, mas o histrico dessas transformaesno mantido no banco de dados. Segundo Peuquet [PEU 95], estas limita-es dos SIG vm recebendo ateno crescente, devido necessidade de ummelhor entendimento dos processos geogrficos e dos inter-relacionamentosde causa e efeito entre as atividades humanas e o meio ambiente.


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Para Hadzilacos [HT 96], a necessidade de os dados geogrficos estaremqualificados com base no tempo, no se deve ao fato de os dados seremfreqentemente modificados, mas sim necessidade de se registrar estadospassados, de forma a possibilitar o estudo da evoluo dos fenmenos geo-grficos. Para possibilitar uma anlise de dados com base na evoluo dosfenmenos geogrficos necessrio adicionar aos SIG as potencialidadesdos sistemas de bancos de dados temporais. Isto implica na incluso de infor-maes temporais relacionadas aos fenmenos geogrficos e da extensodas linguagens de consulta disponveis para que estas suportem clusulas decondio associadas a aspectos temporais [Ede 94, Wor 95].

Alguns modelos estendem a notao grfica para ressaltar a existnciados aspectos temporais em determinadas classes e/ou atributos. No modeloGMOD [Pir 97], Geo-Classes e classes Convencionais podem ser definidascomo sendo temporais, atravs da definio de uma associao com a classeTempo. A classe Tempo raiz de uma outra hierarquia de classes, onde suassubclasses distinguem os tipos de caractersticas do tempo (ex.: discreto oucontnuo, variao linear ou intervalar).

O modelo GeoOOA utiliza um pictograma especial, que um smbolo deum relgio, para diferenciar classes temporais (Figura 6). Alm disso, a nota-o grfica do modelo OOA [CY 91] estendida para representar dois tiposespeciais de relacionamentos temporais: conexo ancestral e conexo de atri-buto temporal. Um relacionamento de conexo ancestral permite a associa-o entre verses de um mesmo objeto. Por exemplo, um lote pode ser divi-dido, em um determinado momento, dando origem a dois novos lotes. Aconexo de atributo temporal usada para destacar uma associao decor-rente da necessidade de modelar o aspecto temporal de um atributo. Por exem-plo, na Figura 6, a classe Escritura resultado da modelagem dos dadoshistricos do lote. Em uma modelagem no temporal, o usual que cada lotetenha uma nica associao com o proprietrio atual.

Figura 6 Exemplo de modelagem de aspectostemporais no modelo GeoOOA


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O modelo Modul-R tambm utiliza pictogramas para modelagem dos as-pectos temporais. Provavelmente, devido complexidade da soluo apre-sentada por Bdard em [BCM+ 96], esta soluo foi abandonada naimplementao da ferramenta CASE Perceptory [Bed 99].

4.2.8 Aspectos de QualidadeDados com erros podem surgir nos SIG, mas precisam ser identificados e

tratados. Os erros podem ser introduzidos no banco de dados de diversasformas: serem decorrentes de erros j existentes nas fontes originais dos da-dos; serem adicionados durante os processos de obteno (captura) earmazenamento dos dados; serem gerados durante a exibio ou impressodos dados; ou surgirem a partir de resultados errneos de operaes de an-lise de dados [BF 95].

Uma aplicao de SIG se diferencia das demais aplicaes de banco dedados por fazer uso de grande volume de dados importados de outros siste-mas, muitas vezes de outras organizaes. Este fenmeno gera,freqentemente, problemas de confiabilidade dos dados.

O padro americano para troca de dados espaciais (SDTS) requer um rela-trio de qualidade, o qual fornece uma base para que o usurio faa seuprprio julgamento sobre a qualidade do dado importado [AP 96]. Os aspec-tos de qualidade fazem parte de um conjunto maior de dados que so elabo-rados para possibilitar o compartilhamento de dados em aplicaes de SIG.Diversas tentativas de padronizao do formato de descrio de dados, de-nominados metadados, so encontradas na literatura [WLI+ 98].

No tocante a projeto conceitual, porm, pouco avano tem sido observa-do. Os modelos Modul-R [HT 96] e GISER [SCG+ 97] apenas citam a neces-sidade de se manter dados de qualidade, mas no descrevem como isso feito. Ram e outros [RPB 99] apresentam uma proposta de uso de metadadoscom o objetivo de acesso aos dados atravs de um modelo semntico (USM*),ao invs de comandos disponveis em SIG.

5. CONSIDERAES FINAISA partir dos diversos modelos analisados observa-se que todos seguiram

um mesmo caminho, onde se buscou acrescentar novas primitivas de abstra-o a um dos formalismos conceituais existentes com variaes apresenta-das, principalmente, na sintaxe da linguagem e na notao grfica proposta.

No entanto, a maioria desses modelos, ao invs de realmente introduzirnovas primitivas de modelagem, se restringe a descrever como e o que mo-


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delar da realidade geogrfica, utilizando-se quase sempre de primitivas demodelagem do prprio formalismo de origem.

Observa-se que alguns modelos j atendem, em maior ou menor grau, aosrequisitos de modelagem identificados. Coloca-se, ento, a pergunta: Por queos projetistas de SIG relutam, ainda, em realizar a fase de modelagemconceitual em seus projetos? Acredita-se que isto ocorra no mais pela au-sncia de um modelo adequado para as aplicaes de SIG, mas, sim, devidoa deficincias nas metodologias de desenvolvimento em que esses modelosso empregados. Uma das possveis solues para este problema a utiliza-o de metodologias de desenvolvimento de sistemas baseadas em aborda-gens de reutilizao [LIB 98].

O estudo mostra que alguns dos requisitos analisados ainda necessitamser melhor pesquisados como, por exemplo, os aspectos temporais e os as-pectos de qualidade. Os modelos analisados tambm permitem concluir que,nos casos onde se buscou a definio de um modelo muito rico semantica-mente, aumentou a dificuldade de se utilizar o modelo, devido ao grandenmero de primitivas (ex.: Modelo MADS).

KEYWORDSGeographic Information Systems (GIS) Conceptual data modeling Database systems.

ABSTRACTConceptual modeling has been applied successfully to database modeling ingeneral. Independent of underlying hardware or software, conceptual modelsallow for a first, abstract representation of the applications reality helpingdesigners to better communicate with one another and with the users.Geographic applications pose a set of specific requirements on conceptualdata modeling that are either not at all or only partially supported by existingconceptual data models. This paper discusses a minimum set of requirementswhich should be supported by a data model for Geographic InformationSystems (GIS) and compares some well known conceptual data models relyingon these requirements.

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