Sistemas de Informação Geográfica — Conceitos
Graça Abrantes, 1998

ÍNDICE

1 Natureza da Informação Geográfica *
1.1 Características da informação geográfica *
1.1.1 A "visão dos campos" vs. a "visão dos objectos" *
1.1.2 Características espaciais *
1.1.3 Sistemas de referência espacial *
1.1.4 Dimensionalidade dos objectos espaciais *
1.1.5 Relações espaciais *
1.1.6 Características não espaciais *
1.1.7 Características temporais *
1.1.8 Fontes de informação geográfica *
1.1.9 Aspectos semânticos e normas *
1.2 Características funcionais dos sistemas que incluem dados geográficos *
1.2.1 Áreas aplicacionais *
1.2.2 Classes de problemas *

2 Suporte computacional de Informação Geográfica *
2.1 Os SIG *
2.1.1 As diversas definições de SIG *
2.2 A evolução histórica dos SIG *
2.3 Funcionalidade genérica *
2.3.1 Classificação taxonómica das operações espaciais *
2.4 Produtos genéricos para suporte de SIG *
2.4.1 Arquitecturas de armazenamento de dados *
2.4.2 Estruturas para armazenamento de dados *
2.4.3 Transacções longas *
2.4.4 Comunicação com outros sistemas computacionais *
2.5 Os SIG e a Internet *
2.6 Interoperabilidade e o OGC *

Anexo A — Classificação taxonómica das operações espaciais *

Referências *
 
 




Sistemas de Informação Geográfica — Conceitos

Os sistemas que suportam informação geográfica integram também, frequentemente, informação não geográfica textual e numérica. Podem ainda incluir informação audio e imagem. As características particulares destes sistemas são uma consequência directa da natureza específica da informação geográfica que suportam devido às áreas de aplicação a que se destinam. Estes dois aspectos condicionam, nomeadamente, o modo como é realizada a representação computacional da informação, o tipo de funcionalidade que é genericamente requisito destes sistemas e o conjunto de técnicas de âmbito computacional mais frequentemente utilizadas na sua realização.

Assim, este capítulo encontra-se subdividido em duas secções. A secção 1 abordará a natureza específica da informação geográfica do ponto de vista estrutural e comportamental. O aspecto estrutural será abordado tal como é mais comum interpretá-lo a partir da observação da realidade. O aspecto comportamental será apresentado na perspectiva geral das características funcionais dos sistemas, nomeadamente enumerando as suas principais áreas de aplicação e as classes de problemas mais características a que se destinam.

Na secção 2 serão caracterizados, numa perspectiva essencialmente tecnológica, diversos tipos de sistemas para suporte genérico de informação geográfica.

1. Natureza da Informação Geográfica

     
    Embora seja possível caracterizar diversas áreas aplicacionais dos sistemas em causa, é difícil apresentar um levantamento que se possa considerar exaustivo, pois a utilização mais generalizada destes sistemas é ainda relativamente recente. Este facto permite admitir que as actuais aplicações se encontram ainda muito longe de cobrir todas as áreas possíveis. Por outro lado, as características da informação suportada por estes sistemas, obtidas a partir da observação do mundo real e objecto de estudo desde há muito tempo, podem considerar-se o aspecto mais típico e estável destes sistemas. Assim, opta-se por abordar primeiro, na secção 1.1, o problema da natureza da informação geográfica nas suas componentes básicas de natureza estrutural, referindo-se também as diversas fontes de proveniência possíveis e alguns problemas de interpretação relacionados com o contexto semântico em que essa informação se pode encontrar inserida. Na secção 1.2 serão, então, enumeradas diversas áreas aplicacionais e classes de problemas para que, actualmente, são criados os sistemas envolvendo informação geográfica.
1.1 Características da informação geográfica
      Naturalmente, não existe um modo único de interpretar e descrever a realidade. Em particular, a realidade geográfica possui um grande número de características e não é viável representá-las todas num mesmo sistema de informação. Aliás, qualquer sistema tem apenas capacidade para representar uma dada conceptualização da realidade. Assim, o conjunto de informações de um sistema representa apenas uma descrição parcial da realidade, determinada fundamentalmente tendo em atenção os objectivos a atingir por esse mesmo sistema. Porém, é possível descrever de um modo muito geral os diversos tipos de características da informação geográfica.
1.1.1 A "visão dos campos" vs. a "visão dos objectos"
        Uma primeira abordagem à conceptualização do mundo geográfico, baseada no modo como este é actualmente tratado, pode conduzir à identificação de dois tipos de perspectivas: uma visão do espaço como sendo composto por campos ou povoado por objectos [Couclelis 92]. Na primeira perspectiva, o espaço é considerado contínuo e a observação é feita sobre todos os locais; na segunda, são seleccionados os objectos de interesse, sendo ignoradas as porções do espaço que não contêm objectos relevantes (sendo possível dizer-se que, neste caso, o espaço é considerado discreto). De um modo informal, pode dizer-se que na "visão de campos" é observado o que ocorre em todos os lugares, enquanto na "visão de objectos" é observado onde ocorrem todas as coisas [Tomlin 91a].

        O debate entre estas duas perspectivas foi inicialmente conduzido apenas na sua vertente tecnológica, basicamente relacionada com o tipo de estruturas de dados mais adequado a cada uma delas — raster e vectorial, respectivamente. Embora importante, esta questão, normalmente, reflecte apenas condicionalismos de ordem técnica — relacionados com as fontes da informação ou com limitações técnicas dos produtos utilizados para o seu processamento — encobrindo outra questão de nível diferente. Efectivamente, cada uma dessas visões é especialmente adequada a determinado tipo de problemas, existindo mesmo situações em que é necessário considerá-las como complementares.

        A "visão de campos" é especialmente adequada à interpretação da realidade geográfica natural, como cobertura do solo, tipos de solo, relevo, cursos de água ou factores climáticos, a qual é caracterizada por uma distribuição espacial difusa, isto é, sem contornos rígidos. A observação das características deste tipo de fenómenos em todos os locais do espaço deve conduzir a uma representação mais fiel da realidade do que a sua discretização artificial em objectos, aos quais são atribuídos características homogéneas e para os quais se tenta fixar um determinado contorno. Por outro lado, a interpretação de objectos cuja existência resulta de intervenção humana, como estradas, edifícios ou fronteiras territoriais, possuindo uma localização geográfica mais definida, adapta-se melhor à "visão de objectos".

        Naturalmente, uma primeira conclusão a retirar da análise desta classificação dicotómica, das perspectivas de observação da realidade geográfica, é que existem determinados tipos de informação geográfica que, por natureza, não possuem uma localização no espaço exacta, sendo esta definida sempre como um valor apenas aproximado.

        Por outro lado, a solução da "visão de campos" para este problema, tal como foi descrita, é essencialmente teórica. Efectivamente, a observação do que existe em todos os lugares não é tecnicamente possível e, actualmente, o que de mais perto se lhe assemelha são as imagens obtidas por detecção remota e estas, por melhor definição que possuam, não deixam de ter subjacente a discretização do espaço numa determinada malha.

        Acresce ainda que, as observações segundo a "visão de campos", conduzindo a volumes elevados de informação, se adaptam apenas a determinados tipos de processamento — como estatísticas espaciais ou cálculos de áreas — sendo em muitos outros indispensável identificar e classificar os objectos espaciais que compõem a realidade.

        O termo objecto espacial() é aqui utilizado para referir qualquer tipo de objecto, entidade ou fenómeno, cujas características relevantes incluem informação relativa à sua localização na superfície terrestre. Normalmente, um objecto espacial possui simultaneamente três tipos de características: espaciais para identificação do local onde se situam, não-espaciais para descrição das suas propriedades e temporais para a sua localização no tempo. As características espaciais constituem o aspecto mais específico dos objectos geográficos. Inevitavelmente, estas características condicionam decisivamente os requisitos dos sistemas que as pretendem suportar de um modo adequado.

1.1.2 Características espaciais
        Fundamentalmente, existem dois tipos de métodos para identificar os locais da superfície terrestre: os métodos contínuos e os métodos discretos.

        Os métodos contínuos utilizam coordenadas para georreferenciar pontos e são usados, quer nos casos em que se consideram as três dimensões do espaço, quer quando se consideram apenas duas dimensões. As coordenadas podem ser de dois tipos: globais ou do plano — também designadas, respectivamente, coordenadas absolutas ou relativas. As coordenadas globais utilizam os conceitos geográficos de latitude e longitude.

        Normalmente, as coordenadas do plano são cartesianas ou polares — sendo trivial a passagem de um sistema ao outro— e encontram-se associadas a uma determinada projecção. Uma projecção é um método, envolvendo transformações matemáticas, pelo qual a superfície terrestre é representada numa superfície plana. Existem inúmeros tipos de projecções, que podem ser identificados pelas distorções que evitam, contudo nenhum é isento desta limitação, sendo a distorção tanto maior quanto maior for a área representada.

        Os métodos discretos permitem georreferenciar pontos indirectamente. Basicamente, estes métodos utilizam uma chave e uma tabela, que permite converter a chave em coordenadas. O código postal e os endereços postais podem ser um exemplo de métodos de georreferenciação deste tipo. Estes métodos apresentam como vantagem a relativa simplicidade com que pode ser feito o registo da informação de georreferenciação. Em contrapartida são métodos que, naturalmente, implicam alguma inexactidão. O conceito de inexactidão dos dados traduz a diferença existente entre os valores que são utilizados e os valores reais (ou considerados como tais). Porém, em algumas aplicações — da área da sociologia, por exemplo — este problema não diminui a qualidade dos resultados obtidos. Assim, estes métodos têm sido frequentemente utilizados com sucesso em problemas como o tratamento espacial de resultados de censos populacionais e de inquéritos [Aronoff 89].

        Os métodos contínuos são os mais utilizados por serem adequados aos problemas que exigem a integração de dados de diferentes proveniências, requisito que é comum a muitos dos sistemas actuais. Mesmo nestes métodos verifica-se sempre o problema da exactidão dos valores das coordenadas geográficas, podendo afirmar-se que, de um modo geral, todas as componentes da informação geográfica — espaciais, não-espaciais e temporais — possuem um grau de inexactidão que lhes é inerente [Burrough e Frank 95]. Um dos factores limitativos da exactidão dos dados geográficos é a resolução adoptada para o sistema de medida, isto é, a distância mínima que pode ser observada. Contudo, exactidão e precisão são conceitos distintos. Em [Chrisman 91] pode encontrar-se uma visão geral do problema da exactidão da informação geográfica, suas origens, formas de controlo e consequências. Fundamentalmente, relativamente a este problema, é importante reter que o erro é uma característica indissociável da informação geográfica e, rigorosamente, deveria ser considerado como uma das dimensões dessa informação. Não o podendo ser, por razões de ordem prática, o reconhecimento da sua existência e, sempre que possível, a sua quantificação — por exemplo, recorrendo a métodos estatísticos — são condições indispensáveis para garantir a obtenção de resultados confiáveis.

        É importante notar que, em algumas situações específicas, este modo de encarar o erro não é suficiente. Efectivamente, pode suceder que a informação possua um tal grau de imprecisão inerente que os resultados sejam demasiado afectados. Alguns destes casos têm vindo a ser tratados recorrendo a conceitos da teoria dos conjuntos difusos [Klir e Folger 88] com relativo sucesso. Entre os problemas estudados, podem referir-se as diversas causas de incerteza dos dados e formas de codificação de erros em termos estatísticos e como metadados [Dutton 92], a visualização dinâmica de conjuntos de dados difusos [Fisher 92], a geração e utilização de metadados na predição da qualidade final dos dados [Hootsmans et al. 92], as técnicas de classificação e visualização de informação difusa [Leung et al. 92], os procedimentos para criação de overlays de dados difusos usando estruturas de dados raster ou vectoriais [Edwards 94] e a modelação formal de dados para representação de objectos difusos [Molenaar 94].

1.1.3 Sistemas de referência espacial
        A interpretação dos valores das coordenadas do plano, utilizadas maioritariamente nos métodos contínuos, exige o conhecimento do sistema de referência espacial em que se baseiam esses valores. A definição de um sistema de referência espacial envolve diversas opções. É conveniente adoptar um sistema convencional, de forma a garantir uma mais fácil integração de dados provenientes de diversas fontes. Assim, a maioria dos países definiu já sistemas de georreferenciação de âmbito nacional.

        Em Portugal, os principais fornecedores de cartografia topográfica e temática têm utilizado vários sistemas de georreferenciação [IGC 92].

        O Sistema Bessel-Bonne (SBB) usa a projecção cartográfica de Bonne do elipsóide de Bessel, posicionado por meio de um Datum Geodésico (DtCSJ) situado no vértice Castelo de S. Jorge em Lisboa, num cone tangente ao paralelo de latitude 39o 40' Norte (aproximadamente a meio de Portugal); o Ponto Central da Projecção (situado no Centro do Território Continental) é definido pelo ponto de intersecção deste paralelo e do meridiano de longitude 8o 7' (WGRW). Para origem das coordenadas cartográficas foi adoptado o Ponto Central da Projecção, os eixos são orientados positivamente para Este e Norte. O SBB é utilizado pelo Instituto Português de Cartografia e Cadastro (IPCC) e pelos Serviços Geológicos de Portugal.

        O Sistema de Hayford-Gauss Antigo (SHGA) usa a projecção cartográfica de Mercator Transversa, versão Gauss-Kruger, do elipsóide Internacional (ou de Hayford), posicionado por meio de um Datum geodésico (Dt73) situado no centro do país (vértice Milriça), num cilindro tangente ao meridiano de longitude 8o 7' 54,862'' (WGRW); o Ponto Central da Projecção é definido pelo ponto de intersecção deste meridiano e do paralelo de latitude 39o 40' Norte. Para origem das coordenadas cartográficas foi adoptado o Ponto Central da Projecção, os eixos são orientados positivamente para Este e Norte. O SHGA é utilizado pelo IPCC.

        O terceiro sistema, denominado Sistema Hayford-Gauss Militar (SHGM), derivou do anterior por aplicação de uma translação da origem das coordenadas cartográficas para o ponto de coordenadas (-200km, -300km) no SHGA. O SHGM é utilizado pelo Instituto Geográfico do Exército (IGE) e pelos fornecedores que usam as cartas do IGE como base, por exemplo, a Direcção Geral de Florestas (DGF) e o Centro Nacional de Reconhecimento e Ordenamento Agrário (CNROA).

        O Sistema de Hayford-Gauss Moderno (ou Sistema do Datum 73, SHG73) usa, igualmente, a projecção cartográfica de Gauss-Kruger do elipsóide Internacional posicionado no Dt73 mas num cilindro tangente ao meridiano de longitude 8o 7' 53,31'' (WGRW); o Ponto Central da Projecção é definido pelo ponto de intersecção deste meridiano e do paralelo de latitude 39o 41' 37,30'' Norte (ponto coincidente com o Dt73). Para origem das coordenadas cartográficas foi adoptado o ponto de coordenadas 180,598'' para Oeste e 86,990'' para Norte do Ponto Central da Projecção, os eixos são orientados positivamente para Este e Norte. O SHG73 é utilizado pelo IPCC na produção de ortofotomapas.

        A projecção Universal Transversa de Mercator usa a projecção cartográfica de Gauss-Kruger, do elipsóide Internacional entre os paralelos de latitude 84 o Norte e 80o Sul, posicionado em Potsdam por meio do Datum Europeu (ED); o Ponto Central da Projecção é definido, em Portugal, pelo ponto de intersecção do Equador com o meridiano de longitude 9 o (WGRW). Para origem das coordenadas cartográficas foi adoptado o ponto obtido por translação de 500Km para Oeste do Ponto Central da Projecção, os eixos são orientados positivamente para Este e Norte. Esta projecção é utilizada pela NATO (em colaboração com o IGE) na produção de Cartas Militares de Portugal. Esta projecção com diferentes Data é, também, utilizada pelo IPCC e pelo IGE na produção de cartas da Madeira e Açores.

        É possível a conversão de coordenadas entre alguns destes sistemas de referência recorrendo a funções simples que produzem resultados aproximados, com erros aceitáveis em função de diferentes escalas. Nesta situação encontram-se as conversões entre os três sistemas SHG para escalas iguais ou inferiores a 1/10.000, e entre os sistemas SHG e SBB para escalas iguais ou inferiores a 1/50.000.

1.1.4 Dimensionalidade dos objectos espaciais
        Os métodos de georreferenciação, ao permitirem a definição da localização geográfica dos objectos, estabelecem simultaneamente a sua forma geométrica. Classicamente, no espaço a duas dimensões, os objectos espaciais simples são classificados em três categorias, de acordo com a sua forma geométrica:

        · ponto – geralmente utilizado na representação de objectos de pequenas dimensões ou do local onde se intersectam linhas;

        · linha aberta – definida como um conjunto ordenado de pontos interligados por segmentos de recta ou por linhas definidas por funções matemáticas (frequentemente, funções spline) e utilizada na representação de objectos sem largura suficiente para poderem ser considerados áreas; por exemplo, estradas, cursos de água, redes de saneamento e utilidade pública, ou entidades conceptuais como fronteiras territoriais políticas ou administrativas;

        · linha fechada, polígono ou região – definida como um conjunto ordenado de pontos interligados, em que o primeiro e último ponto coincidem, e utilizada quase sempre na representação de zonas que possuem uniformemente uma dada propriedade.

        Consideram-se objectos espaciais complexos aqueles cuja localização geográfica define um conjunto composto de objectos espaciais simples ou complexos.

        A classificação referida considera apenas a dimensão topológica da observação dos objectos espaciais simples e não a sua forma intrínseca. Efectivamente, a dimensão topológica observada é, frequentemente, condicionada pela escala adoptada para a sua representação cartográfica e, à medida que a escala diminui, os objectos poligonais de menores dimensões vão sendo sucessivamente reduzidos a pontos ou linhas. O conceito de escala está associado a representações cartográficas. Neste sentido, a escala representa o quociente entre uma unidade da carta e a correspondente distância real, em termos dessa mesma unidade. Assim, as regiões cuja área ou largura são demasiado pequenas para, na escala adoptada, serem visualizadas com a sua forma geométrica real são, respectivamente, reduzidas a pontos ou linhas.

        Naturalmente, o conceito de escala não se aplica directamente a localizações geográficas expressas em termos de coordenadas, por estas serem, em teoria, valores absolutos. Contudo, na prática, sucede sistematicamente que a observação do valor de coordenadas geográficas tem subjacente a adopção de uma determinada escala para a futura representação cartográfica dos objectos. Acresce ainda que, em muitos casos, as observações desses valores são efectuadas directamente sobre cartas ou fotografias aéreas, que se encontram já condicionadas pela escala utilizada na sua produção. Mas, mesmo as técnicas mais sofisticadas de recolha de dados — recorrendo a detecção remota ou a um Global Posisioning System (GPS) — são limitadas, pelo menos, pela resolução característica de cada uma das suas diversas variantes e este facto determina, implicitamente, a simplificação da forma geométrica das áreas de menores dimensões. Por todas estas razões, a forma geométrica determinada pelas coordenadas geográficas dos objectos espaciais, sendo um conceito demasiado simplista em termos teóricos, é na prática muito utilizada e pode-se mesmo considerar como uma característica inerente a esses objectos.

        O conceito de generalização da informação geográfica é frequentemente associado ao de escala da representação gráfica. Efectivamente, quando é necessário diminuir a escala de uma carta, é difícil — ou mesmo impossível — manter o nível de pormenor com que os objectos são representados. Nestes casos diz-se que se efectuou uma operação de generalização dos dados. Este tipo de generalização recorre a diversos tipos de técnicas, por exemplo, diminuição do número de pontos que definem as linhas, representação de objectos complexos como sendo objectos simples e, também, redução de áreas a linhas ou pontos.

        Contudo, este problema não é específico das representações cartográficas. O nível de pormenor com que a informação deve ser tratada depende também dos objectivos a atingir. Em algumas aplicações, e para responder a uma parte dos seus requisitos, pode ser necessário ignorar as áreas de medida inferior a um dado valor — o que equivale a transformar os objectos respectivos em pontos e linhas — ou processar objectos complexos como um todo, como se de objectos simples se tratassem. Neste sentido, pode ser necessário que as características espaciais dos objectos incluam, não só referência à sua localização geográfica tal como foi observada, mas também uma ou mais representações de generalização. Em muitos casos, mas nem sempre, as generalizações podem ser obtidas recorrendo a uma heurística, normalmente definida segundo os diversos tipos de objectos a processar.

        Actualmente, a maior parte dos sistemas são construídos considerando apenas o espaço bidimensional. Porém, alguns problemas exigem que seja considerada também a terceira dimensão, vulgarmente designada por altura. Nos casos mais simples, como os que envolvem apenas a topografia e o relevo do terreno, a terceira dimensão pode ser tratada como mais uma característica (não-espacial) dos objectos de tipo ponto, continuando estes a ser completamente identificados pelas coordenadas relativas às outras duas dimensões. É vulgar referir que estes sistemas representam o espaço de dimensão 2,.5. Existem ainda situações em que é necessário representar volumes. Nestes casos a terceira dimensão faz parte da identificação única dos pontos; estes sistemas são os que verdadeiramente representam o espaço tridimensional (ou 3D). Nestes últimos sistemas, a classificação relativamente à forma geométrica dos objectos substitui o conceito de polígono pelo de superfícies, planas ou não planas, e introduz o conceito de volume.

1.1.5 Relações espaciais
        Os objectos espaciais relacionam-se de diversos modos no espaço. A definição formal das relações espaciais exige a adopção de uma axiomática para o espaço. O espaço geográfico é normalmente considerado como um espaço Euclidiano. Este tipo de espaço é adequado à generalidade das situações, particularmente quando as áreas geográficas a tratar são relativamente pequenas. Neste espaço são usualmente distinguidos três tipos de relações espaciais: métricas, topológicas e de ordem parcial ou total (do tipo "em frente", "atrás", "acima" e "em baixo") [Egenhofer e Franzosa 91].

        As relações métricas envolvem o conceito de distância e representam a proximidade espacial; incluem também o conceito de área ou de ângulo, este último representando a orientação espacial. O conceito de distância depende da métrica associada. Embora a métrica Euclidiana se adapte bem a um número significativo de problemas, em alguns casos há necessidade de recorrer a outras métricas, como a métrica de Manhatan ou a métrica definida em função do caminho mais curto. Existem, ainda, problemas em que não é possível utilizar uma métrica, no sentido matemático do termo. Nestes casos é frequentemente necessário recorrer a uma matriz de distâncias — por exemplo, em termos de tempo de percurso ou custo — para se obterem resultados realísticos.

        As relações topológicas podem ser informalmente definidas como sendo aquelas que não sofrem alteração quando uma carta sofre distorções e designam relações como "disjuntos", "tocam" e "sobrepõe". A sua definição formal pode recorrer às operações elementares de conjuntos — inclusão, intersecção, coincidência, elemento de — ou aos conceitos clássicos da Topologia [Machado 80] — interior, adjacência, fronteira e co-fronteira. As primeiras representam interferências espaciais entre objectos e as segundas a conectividade entre objectos [De Floriani et al. 93].

        As definições formais de relações topológicas utilizadas mais frequentemente na área dos SIG são as propostas em [Egenhofer e Franzosa 91]. Neste trabalho é demonstrado que entre duas regiões espaciais só podem ocorrer nove relações topológicas. Por exemplo, a relação topológica "A e B tocam-se" é definida pela intersecção não vazia das duas fronteiras de A e B ( AÇ B¹ Æ ) e pelas intersecções vazias da fronteira de A e do interior de B ( AÇ Bo=Æ ), do interior de A e da fronteira de B (AoÇ B=Æ ), e do interior de A e do interior de B (AoÇ Bo=Æ ). As definições das outras oito relações topológicas possíveis podem ser encontradas de uma forma similar, com base nos resultados (vazio e não vazio) de cada uma das quatro intersecções das fronteiras e dos interiores de dois conjuntos definidos num espaço topológico e na verificação da possibilidade de ocorrência de cada uma das combinações assim definidas.

        A definição das relações topológicas recorrendo a relações de ordem em conjuntos parcialmente ordenados e recticulados [Grä tzer 78] tem também sido utilizada na investigação de formas eficientes de processamento da informação geográfica [Kainz et al. 93].

        A importância que as relações espaciais revestem, como características muito distintivas dos SIG, tem atraído a realização de diversos trabalhos de investigação. Efectivamente, muitas outras abordagens formais têm sido utilizadas na definição das características espaciais das entidades geográficas e das suas propriedades [Worboys 92] [Pigot 92] [De Floriani et al. 93] [Egenhofer et al. 94] [Bertolotto et al. 95] [Puppo e Dettori 95].

        Alguns problemas que envolvem informação geográfica, típicos de redes, não necessitam de recorrer à localização espacial dos objectos, mas apenas às relações espaciais que se estabelecem entre eles. A criação de sistemas que ignoram as características relativas à localização espacial precisa dos objectos é útil, quando apenas se pretende processar informação qualitativa e não existe informação com referências espaciais adequadas. Estes sistemas têm sido objecto de estudo relativamente quer à formalização da estrutura da informação que tratam [Vieu 93] quer aos algoritmos necessários à sua realização salvaguardando a integridade do sistema no que respeita à manutenção da coerência da informação [Hernández 93].

        Porém, a maioria dos sistemas tem requisitos relativos a informação quantitativa e visualização que tornam obrigatória a existência de referências geográficas. Nestes casos, as relações espaciais podem ser determinadas recorrendo a algoritmos de computação geométrica ou baseados em modelos geométricos [Samet 90].

        No que respeita a relações espaciais muitos problemas existem ainda em aberto. Efectivamente, o desenvolvimento de uma teoria sobre relações espaciais deve dar respostas a questões como, quais as propriedades geométricas fundamentais dos objectos geográficos necessárias para descrever as suas relações, de que modo podem estas relações ser definidas formalmente em termos de propriedades geométricas fundamentais e qual é o conjunto mínimo de relações espaciais [Abler 87].

        Acresce ainda que, para se obter uma teoria sobre relações espaciais com aplicação em problemas reais, para além dos aspectos puramente matemáticos, é também necessário considerar aspectos de ordem cognitiva, linguística e psicológica [NCGIA 89].

1.1.6 Características não espaciais
        As características não espaciais da informação geográfica, por vezes também designadas por temas, são de natureza análoga ao que se encontra nos Sistemas de Informação convencionais. Classicamente, é classificada quanto ao tipo como alfanumérica, lógica e numérica inteira ou real.

        Com alguma frequência, estas características encontram-se organizadas de um modo hierárquico. A classificação que por vezes é utilizada para caracterizar a ocupação dos solos é um exemplo deste tipo de hierarquia: num primeiro nível são distinguidos os usos urbano e rural. Num segundo nível, distinguem-se, dentro do tipo urbano, as utilizações públicas, áreas de habitação de zonas verdes, e dentro do tipo rural, as zonas de floresta, agrícolas e povoações. Estes subníveis podem ainda ser subdivididos.

1.1.7 Características temporais
        A necessidade de incluir na informação geográfica características temporais tem vindo a fazer-se sentir com crescente relevância [Snodgrass 92]. A necessidade desta componente da informação faz-se sentir em situações diversas. Como documentação, quanto ao momento em que a informação foi recolhida, pode constituir uma medida importante da qualidade dos dados. Como informação imprescindível para a utilização de alguns modelos que recorrem a taxas de variabilidade por unidade de tempo, como aqueles que baseiam na análise de séries temporais — frequentemente utilizada no tratamento das imagens recolhidas por satélites, nos modelos de previsão e na construção de cenários.

        A inclusão das características temporais nos SI tem constituído um problema difícil. Em primeiro lugar porque na maior parte das áreas não existe ainda um volume significativo de informação de tipo histórico. Depois, porque a adição de mais esta característica ainda não simplifica a percepção, pelo menos visual, da evolução dos fenómenos. Por enquanto não existe um método para integrar a informação espacial e temporal, e estas duas e a informação não-espacial, de modo a poder utilizá-las facilmente, e muito menos a visualizá-las de uma forma perceptível.

        Acresce ainda o facto de existirem diversas datas possíveis de ser consideradas em função dos objectivos do sistema. Efectivamente, só para citar alguns exemplos já que em [Langran 93] são citados muitos outros, pode ser relevante a última data em que foi verificada a correcção de um objecto ou as datas em que o objecto sofreu alterações e um conjunto de objectos pode ser referido globalmente ou individualmente. Por este motivo, é também difícil encontrar uma solução geral para o tratamento de informação temporal.

        Os diversos factores mencionados podem explicar por que razão este problema se encontra ainda por resolver, apesar de ser tão frequentemente abordado (em [Al-Taha et al. 94] encontram-se listados cerca de 150 artigos e livros sobre o suporte integrado a dados espaciais e temporais).

1.1.8 Fontes de informação geográfica
        Muitos aspectos dos dados geográficos suportados por sistemas de informação, para além de reflectirem a natureza específica da informação geográfica, encontram-se também condicionados pela respectiva fonte de proveniência. As fontes de informação geográfica podem ser de tipo analógico — informação alfanumérica, trabalho de campo, cartas, fotografia aérea — ou de tipo digital — detecção remota, GPS e Sistemas de Informação Geográfica. Cada uma destas fontes de dados requer técnicas distintas para a recolha ou transferência dos dados.

        A cartografia tem sido a principal fonte de informação geográfica. Por carta considera-se uma representação visual de informação espacial, particularmente se esta é abstracta, generalizada ou esquemática. Segundo a Associação Cartográfica Internacional, uma carta é uma representação, normalmente à escala e numa superfície plana, de uma selecção de características concretas ou abstractas que se situam na superfície terrestre, ou com ela se encontram relacionadas [Rhind 91].

        Geralmente, as cartas são classificadas em dois tipos: cartas topográficas —representando as linhas limítrofes de características naturais ou criadas por intervenção humana, como a forma da superfície terrestre e estradas — e cartas temáticas — utilizadas na representação de conceitos geográficos tais como a distribuição de densidades populacionais, o clima e o uso da terra. Esta classificação possui geralmente subjacente a ideia de que, em relação a cada tema considerado, é sempre possível determinar uma partição do espaço em que cada região possui um único valor do tema considerado. No entanto, nem sempre assim sucede. Na fig. 1 encontra-se representada uma carta cujo tema constitui um exemplo de classificação que determina regiões possuindo mais do que um valor do tema considerado [San-Payo e Rolo 97].
         


        fig. 1 - Carta com regiões multivaloradas


         


        A principal condicionante das cartas, como fontes de informação, é que estas representam uma determinada abstracção da realidade, decidida em função dos objectivos para os quais a carta é produzida. Efectivamente, a produção de uma carta requer uma determinada interpretação da realidade e, por este motivo, retrata-a apenas parcialmente e, frequentemente, de um modo inexacto. Maioritariamente, as cartas pressupõem, pelo menos, uma selecção das características a representar (e, consequentemente, a omissão de outras), a sua classificação em tipos (estradas, rios, vales, montanhas, edifícios, etc.), a simplificação de algumas formas e o exageramento de outras. Deste modo, o uso de uma carta, para um objectivo diferente daquele para que foi produzida e ignorando o tipo de decisões que se lhe encontram subjacentes, pode conduzir a resultados de qualidade muito pobre.

        As fotografias aéreas — em pares de ortofotomapas — são também fontes frequentes de informação, quando não existem cartas adequadas. As fotografias podem considerar-se uma fonte de informação de natureza semelhante à das cartas, representando simultaneamente informação topográfica e temática. A sua principal qualidade é que não são produto de uma determinada interpretação. Assim, esta pode realizar-se em função dos objectivos a que a informação se destina.

        O volume elevado da informação geográfica não permite, normalmente, que esta possa ser obtida exclusivamente em trabalhos de campo. Contudo, na maior parte dos casos, a informação proveniente de cartas e de fotografias necessita ser corrigida ou complementada por trabalhos de campo, tanto relativamente às suas características espaciais, como não-espaciais e temporais [Star e Estes 90].

        A informação geográfica de carácter económico e social, com base em censos e inquéritos, é normalmente fornecida sob a forma de tabelas — recorrendo a um método de georreferenciação discreto — e constitui tipicamente uma fonte de informação alfanumérica.

        Actualmente, os dados recolhidos por detecção remota a partir de satélites constituem a fonte de maior volume de informação. Os trabalhos de investigação presentemente em curso, com vista ao reconhecimento automático de padrões — recorrendo, por exemplo, a técnicas de inteligência artificial e ao contributo de bases de conhecimentos — podem vir a desempenhar um papel determinante na transformação eficiente da informação vinda de satélites em informação útil.

        A combinação do uso em trabalhos de campo de GPS (baseados em satélites ou de sistema dual) para identificação de localizações geográficas e de dataloggers ou computadores portáteis programados para recolha de informação não-espacial e temporal é presentemente uma importante fonte de informação geográfica fidedigna e relativamente eficiente. Em 1995, 43% dos utilizadores inquiridos mencionaram recorrer a GPS em muitas das suas actividades de recolha de dados [Rajani 96].

        Finalmente, é possível adquirir informação geográfica em formato digital a partir de sistemas de informação com dados geográficos. O problema da transferência de informação entre sistemas diferentes tem sido objecto de estudo, quer relativamente a formatos de codificação, quer relativamente a problemas de natureza semântica idênticos aos que foram referidos para a cartografia [Guptill 91] [Fegeas et al. 92] [Abrantes 93]. Presentemente, na maior parte dos países, existem diversos organismos oficiais que se podem considerar produtores de informação geográfica de carácter genérico — como topografia de base, meteorologia e geologia.

1.1.9 Aspectos semânticos e normas
A descrição que foi feita dos vários tipos de características da informação geográfica, reflecte a enorme diversidade de aspectos que a realidade geográfica pode revestir —incluindo as diferentes semânticas que as associações de tipo espacial podem assumir. Da impossibilidade de encontrar um modo único de a interpretar e descrever resulta a necessidade de optar por uma representação simplificada da realidade que seja adequada aos objectivos em causa — tarefa que normalmente se designa por construção do modelo conceptual do sistema.

O mesmo sucede com a informação em geral. Contudo, no campo dos SI com dados geográficos, este facto tem assumido consequências especialmente graves. Regra geral, a recolha destes dados constitui a tarefa mais dispendiosa do desenvolvimento de um sistema, constituindo frequentemente um impedimento à sua criação. Por este motivo, o estudo de condições, métodos e técnicas que possibilitem a reutilização de dados geográficos em formato digital tem constituído um objectivo importante de investigação.

Para que esta possibilidade se torne real, não basta conseguir transferir dados entre diferentes sistemas. Actualmente, os inúmeros formatos utilizados na codificação da informação geográfica podem ainda, por vezes, constituir um problema mas existe já um conjunto de formatos de codificação para informação geográfica — DXF, ERDAS e ARC, entre muitos outros — para os quais a maior parte dos produtos comerciais para SIG possuem conversores. Contudo, conhecer a descrição da componente relativa à localização espacial de um objecto tem pouca utilidade, se não se compreender bem o que está a ser descrito. O que significam realmente os termos "floresta", "área residencial" ou "ponte"? É difícil ter a certeza de que as definições e especificações utilizadas pelos produtores da informação coincidem com as interpretações que dela fazem os utilizadores [Guptill 91].

A resolução deste tipo de problemas passa pela definição da meta-informação (metadata) que deve ser incluída no SI. O termo meta-informação designa, por exemplo, informação complementar sobre práticas de codificação, regras de decisão relativas a representação de características espaciais, definição de características não-espaciais e respectivos valores, critérios e procedimentos para demarcações de localizações espaciais [Laurini e Thompson 92]. Ainda segundo estes autores, a inclusão de meta-informação tem como objectivos prioritários servir de base à manutenção da integridade semântica dos sistemas, permitir a integridade da codificação e constituir informação suplementar que forneça contexto. Assim, um SI contendo dados espaciais deve incluir dados tais como:

  • definições de entidades;
  • definições de atributos;
  • explicações para as medidas dos atributos ou das práticas de codificação;
  • explicações para codificações com cores falsas em mapas baseados em imagens de detecção remota;
  • regras para delimitação de entidades no espaço;
  • referências às fontes dos dados, respectiva qualidade e data;
  • explicações para valores em falta e inadequação de medidas;
  • qualquer outra informação que forneça explicações claras sobre os dados.
  • Na sequência deste tipo de preocupações, a criação de normas para transferência de dados entre diferentes SI tem sido objecto de trabalhos diversos em vários países. Em particular, várias entidades — como o US Geological Survey, o Institute Géographique National em França ou o Landesvermessungamt Nordrhein-Westfalen na Alemanha —responsáveis pela produção de grandes volumes de dados geográficos, na área normalmente designada por cartografia de base, têm adoptado normas, criadas especialmente para o seu caso específico. Estas visam essencialmente explicitar de modo inequívoco o significado dos dados, definindo o significado de termos como floresta ou estrada principal, o domínio de valores que os diferentes tipos de dados podem tomar, e ainda o significado de cada um deles. Incluem ainda especificações relativas ao modo como deve ser representada a informação num modelo de dados e como deve ser indicada a respectiva data de recolha.

    A existência de uma norma geral possibilita, como vantagem adicional, que se realizem todos as transferências de dados recorrendo a um conversor único para traduzir os dados de um sistema para o formato normalizado e para receber dados que lhe sejam fornecidos nesse formato. Contudo, não se pretende aqui analisar o problema geral da normalização e de outras soluções para a transferência de dados entre sistemas diferentes. Em [Guptill 91] este assunto é analisado em pormenor. Em particular, é referida a dificuldade que reveste criar uma norma que seja, simultaneamente, uniforme (uma característica indissociável de qualquer norma) e suficientemente flexível para suportar todos os modelos de dados necessários.

    O Spatial Data Transfer Standard (SDTS) [NIST 92], aprovado em Julho de 1992 como Federal Information Processing Standard (FIPS) Publication 173, constitui um exemplo de um conjunto de normas gerais para transferência de informação espacial em diversos formatos entre diferentes sistemas computacionais. As secções iniciais daquele documento são dedicadas ao problema da criação de um modelo conceptual e lógico de dados espaciais na perspectiva da transferência de dados e, também, como recomendações para a criação de futuros SI com dados geográficos. O SDTS destina-se a possibilitar a transferência das várias estruturas de dados utilizadas nas áreas das ciências espaciais. Estas incluem a cartografia, geografia, geologia e outras ciências afins. O SDTS é actualmente suportado por alguns produtos como o ARC/INFO e o MGE.

    A adopção de princípios deste tipo pode contribuir para que se efective uma correcta reutilização da informação espacial e, simultaneamente, possibilitar a integração de informação proveniente de diversas fontes. Deste modo, pode ainda contribuir para resolver o problema da integração dos SI com dados geográficos na estratégia mais geral de construção de bases de dados de qualquer organização [Rhind et al. 88].

    1.2 Características funcionais dos sistemas que incluem dados geográficos
    As características comportamentais dos objectos espaciais são inúmeras e diversas. Também neste aspecto um sistema de informação pode apenas representar parcialmente o comportamento real, distinguindo apenas os aspectos relevantes para os objectivos definidos. Uma enumeração sucinta das áreas aplicacionais mais frequentes dos SI com dados geográficos pode dar uma ideia da diversidade de características comportamentais que os objectos espaciais podem revestir.
    1.2.1 Áreas aplicacionais
    Actualmente, podem distinguir-se quatro grande grupos aplicacionais onde os SI com dados geográficos têm frequentemente revelado excelentes resultados práticos:
        1. Aplicações baseadas em redes de ruas para
          1. pesquisa de endereços
          2. controlo e gestão de tráfego
          3. análise de localizações e selecção de locais
          4. desenvolvimento de planos de evacuação
        2. Aplicações envolvendo recursos naturais para
          1. gestão de florestas
          2. análise de habitats naturais e planeamento de vias de migração
          3. preservação de rios
          4. gestão de recursos para recreio
          5. gestão de aquíferos
          6. gestão dos leitos de cheias
          7. preservação de áreas húmidas
          8. gestão de terras agrícolas
          9. modelação de aquíferos e dispersão de poluentes
          10. análises de impacto ambiental
          11. análise de visibilidade
        3. Aplicações baseadas em parcelas de terreno para
          1. planeamento de zonagem e subdivisão de terrenos
          2. aquisição de terrenos
          3. verificação de impactos ambientais
          4. gestão da qualidade das águas
          5. manutenção de registos de propriedade
        4. Aplicações para gestão de infra-estruturas envolvendo
          1. localização subterrânea de canalizações e cabos
          2. distribuição de cargas em redes eléctricas
          3. planeamento da manutenção de infra-estruturas
          4. monitorização do uso de energia
          5. gestão e controlo de telecomunicações


          Os sistemas que suportam as 3 dimensões do espaço têm vindo a ser utilizados para planeamento e gestão de empreendimentos tais como minas, pedreiras, barragens e reservatórios, na realização de explorações geológicas e em estudos científicos de processos que ocorrem a 3 dimensões, tais como as correntes marítimas e outros fenómenos oceanográficos.

    1.2.2 Classes de problemas
    Da diversidade de áreas aplicacionais dos SI com dados geográficos resulta a inviabilidade de um levantamento exaustivo das classes de problemas a que estes sistemas se aplicam. Contudo, é possível identificar e caracterizar de um modo geral classes de problemas, envolvendo questões genericamente denominadas de análise espacial, cuja solução pode basear-se no recurso a um SI com dados geográficos. Fundamentalmente, estas classes de problemas envolvem relações métricas, baseadas no conceito de distância ou de área, a manipulação de características não-espaciais, por generalização ou recurso a operações de overlay, e relações topológicas definidas numa rede.
        1. Problemas envolvendo o conceito de distância — cálculo da distância entre dois pontos recorrendo a uma métrica pré-definida, geração de buffers (determinação de áreas cujos pontos se encontram a uma dada distância de objecto determinado).
        2. Problemas envolvendo o conceito de área — cálculo da área de cada um dos diversos polígonos que constituem uma dada imagem. Esta operação pode envolver outra, menos trivial, que consiste na identificação de qual o conjunto de pontos que constitui cada um dos polígonos. Esta operação pode ainda dar origem a uma outra, designada remoção de polígonos sliver - polígonos devidos a imprecisões dos dados.
        3. Problemas de generalização sobre um conjunto de atributos frequentemente envolvendo também operações de reclassificação. O objectivo deste tipo de operações é a modificação do número de atributos, que caracterizam os vários objectos, ou a diminuição do número de valores possíveis de determinadas características. O exemplo mais frequente deste tipo de operação consiste na transformação do conjunto de valores que uma dada característica pode tomar. Efectivamente, no caso desta poder tomar um número grande de valores, por ser do tipo numérico ou mesmo porque inicialmente lhe foi atribuído um tipo enumerado com demasiados valores, pode ser necessário, para o tipo de análise que se pretende realizar, tomar para contradomínio um conjunto de cardinalidade inferior, quer por definição de classes de intervalo para os tipos numéricos, quer por agregação de valores no caso dos tipos enumerados.
        4. Problemas de classificação de áreas resolvidos recorrendo a operações de overlay. Estas operações são provavelmente as mais utilizadas dadas as suas enormes potencialidades. A execução de um overlay consiste na criação de um conjunto de objectos poligonais a partir de dois outros. Por intersecção dos polígonos, pertencentes aos conjuntos originais, são determinados novos polígonos, cujos valores das características não-espaciais são definidos por uma função — de tipo lógico, aritmético ou expressa em termos de operações da Álgebra dos Conjuntos.
        5. Problemas envolvendo relações topológicas definidas numa rede — envolvendo essencialmente o conceito de conectividade para definição de caminhos na rede, compostos por linhas com nós comuns. Estes problemas são típicos de aplicações envolvendo redes de comunicações. Em alguns destes casos, frequentemente relacionados com a existência de fontes de emissão e receptores, é apenas relevante a determinação de caminhos entre 2 pontos ou a constatação da sua ausência. Noutros casos, característicos da área da Investigação Operacional, é também relevante o cálculo do comprimento de caminhos para resolução de questões baseadas no "problema do caixeiro viajante" ou numa das suas variantes e generalizações.
    2. Suporte computacional de Informação Geográfica
      As características especiais da Informação Geográfica conduziram à criação de sistemas de informação que constituem uma classe com diversas particularidades.

      A estrutura da Informação Geográfica, os requisitos de visualização associados, a funcionalidade exigida pela maioria das suas áreas de aplicação e o recurso a periféricos específicos conduziu, de uma forma natural, à criação de um tipo de ambiente computacional especialmente vocacionado para o seu suporte.

      Na subsecção 2.1 será apresentado o conceito de Sistema de Informação Geográfica adoptado no contexto deste trabalho. Dado que, presentemente, não existe um consenso relativamente à definição do termo SIG serão também apresentadas outras definições muito divulgadas.

      A compreensão de muitas das características que os SIG actualmente exibem é facilitada pelo conhecimento da sua evolução ao longo das últimas três décadas. Assim, na subsecção 2.2 será descrita a sua evolução de um ponto de vista histórico.

      O tipo de funcionalidade requerida pelos SIG é um aspecto distintivo destes sistemas e que contribui decisivamente para a necessidade de utilizar ferramentas computacionais especialmente vocacionadas para o seu suporte. Na subsecção 2.3 serão identificados os aspectos de funcionalidade dos SIG que se considera que mais contribuem para a necessidade de recurso a tecnologia específica.

      Finalmente, a subsecção 2.4 é dedicada à descrição genérica das principais características particulares dos produtos vocacionados para o suporte de SIG mais divulgados.

    2.1 Os SIG
        O termo Sistema de Informação Geográfica (SIG) tem sido objecto de várias definições por parte de diferentes autores. De uma forma muito geral pode dizer-se que o termo SIG é utilizado, fundamentalmente, com dois sentidos distintos.

        Efectivamente, o termo SIG tem sido utilizado tanto para referir genericamente um sistema de informação que contempla características relativas a localizações espaciais, como para referir um tipo determinado de produtos comerciais, especialmente vocacionados para a realização de sistemas que envolvem dados representando localizações geográficas.

        Pela mesma razão que é importante distinguir o conceito de Sistema de Informação (SI) e de Sistema Gestor de Base de Dados (SGBD), também o conceito de SI incluindo dados relativos a características espaciais de entidades georreferenciadas deve ser distinguido do conceito de produto tecnológico vocacionado para a sua realização. Aqui, opta-se por empregar o termo SIG com o significado indicado em primeiro lugar. Dado que se irão referir os SIG na perspectiva da sua informatização, as ferramentas utilizadas no seu desenvolvimento serão consideradas apenas como uma das suas componentes.

        Mesmo no sentido aqui adoptado, os SIG são objecto de diferentes interpretações. Assim, na secção seguinte opta-se por uma determinada definição de SIG, enquanto se referem outras definições encontradas na literatura sobre este tema.

    2.1.1 As diversas definições de SIG
          Dá-se o nome de sistema a um grupo de entidades e actividades relacionadas entre si que interactuam para atingir um objectivo comum.

          O termo Sistema de Informação designa um conjunto de processos, executado sobre dados, de modo a produzir informação. Conjuntos de dados que incluam referências a localizações no espaço podem ser classificados como informação geográfica.

          Neste contexto adopta-se a definição de SIG proposta em [Cowen 91]. Um SIG é um sistema constituído por hardware, software e procedimentos, construído para suportar a captura, gestão, manipulação, análise, modelação e visualização de informação referenciada no espaço, com o objectivo de resolver problemas complexos de planeamento e gestão que envolvem a realização de operações espaciais.

          O termo análise espacial designa o conjunto de métodos analíticos que se baseiam na informação relativa à localização no espaço dos objectos, eventualmente em conjunto com outros tipos de informação.

          Assim, genericamente, um SIG compõe-se de quatro elementos: hardware, software, informação e recursos humanos.

          Actualmente, a componente hardware pode ser qualquer tipo de plataforma (desde PC ou workstation até minicomputador ou mainframe). Os sistemas operativos podem também ser variados. O GIS Industry Survey de 1995 revelou uma forte predominância dos sistemas Windows, DOS e UNIX, 52% dos produtos recenseados podem ser utilizados com os dois primeiros e 44% com o terceiro; imediatamente a seguir coloca-se o Windows NT (24%) [Rajani 96]. São ainda requisitos essenciais alguns periféricos para entrada e saída de dados gráficos (por exemplo, scanner, mesa digitalizadora, plotter, impressora a cores e monitores gráficos).

          A componente de software é constituída, normalmente, por um produto comercial específico para o suporte de informação geográfica e, opcionalmente, por um SGBD relacional, de entre os vários sistemas relacionais actualmente disponíveis. Na maior parte dos casos, desta componente fazem ainda parte programas escritos numa linguagem de programação convencional ou própria do sistema de suporte dos dados geográficos.

          O elemento informação constitui em muitos aspectos o recurso crucial. Naturalmente, as características particulares da informação geográfica, já abordadas anteriormente, condicionam de uma forma determinante parte das particularidades das outras componentes dos SIG.

          Finalmente, os recursos humanos são um elemento fundamental que não pode ser ignorado. Por ser uma área relativamente recente, a falta de técnicos e especialistas é frequentemente uma limitação à criação de SIG. A importância de serem aumentados os esforços na educação, nas diversas disciplinas envolvidas, é um factor que frequentemente é citado como sendo decisivo para que os SIG possam constituir a solução mais natural para problemas existentes em diversos campos [Aangeenbrug 92] [Masser 96] [Frank 97] [Kemp et al. 97].

          Os SIG têm sido objecto de variadas definições. Alguns autores baseiam-se nas características tecnológicas e na funcionalidade genérica destes sistemas para os distinguir de outros tipos de sistemas. Assim, por exemplo, em [Burrough 86], um SIG é definido como sendo um conjunto potente de ferramentas para recolher, armazenar, aceder, transformar e visualizar dados espaciais do mundo real. Esta definição caracteriza de uma forma genérica os produtos que se destinam ao suporte de aplicações envolvendo dados geográficos.

          Uma definição lata de SIG, não distinguindo sequer se o sistema se encontra automatizado ou não, é dada em [Aronoff 89]: um SIG tem por objectivo a recolha, o armazenamento e a análise de objectos e fenómenos, cuja localização geográfica constitui uma característica importante ou é crítica para a análise.

          Alguns autores definem SIG privilegiando determinadas características. Nestes casos podem distinguir-se, fundamentalmente, três tipos diferentes de perspectivas: a visão baseada em mapas, em bases de dados e na análise espacial [Maguire 91]. Segundo este autor, a primeira perspectiva encara os SIG como sistemas para processamento e visualização de mapas [Tomlin 91b]. A segunda enfatiza a importância dos SIG terem subjacente uma base de dados bem desenhada e possuírem um SGBD potente [Frank 88]. A terceira distingue a capacidade dos SIG para efectuarem análise espacial, defendendo a existência de uma ciência da informação espacial em alternativa à perspectiva tecnológica com que geralmente os SIG são abordados [Openshaw 91] [Goodchild 92] .

          Estas três perspectivas, mais do que traduzirem conceitos distintos, reflectem essencialmente diferentes aplicações dos SIG e interesses diversos dos seus muitos utilizadores. Frequentemente, um mesmo SIG deve servir simultaneamente diferentes objectivos e vários tipos de utilizadores.

          Os LIS (Land Information System) são sistemas que se podem considerar como um caso particular de SIG cujo principal objectivo é o processamento específico inerente à informação sobre propriedade de parcelas de terreno, geralmente conhecida como cadastro de propriedades. Estes sistemas caracterizam-se por utilizar escalas grandes e por conterem dados sobre os direitos de propriedade de cada parcela de terreno, conjuntamente com a informação sobre os recursos e utilizações que lhe correspondem.

          Também os sistemas de Automated Mapping and Facility Management (AM/FM) especialmente adequados a problemas de gestão e planeamento de redes de infra-estruturas, que envolvem diversos tipos de entidades com várias características e em que as relações topológicas e a produção de cartas desempenham um papel fundamental, se podem considerar um caso especial de SIG.

    2.2 A evolução histórica dos SIG
        "A recolha de informações sobre a distribuição espacial de propriedades significativas da superfície da Terra constitui, desde há muito, uma parte importante das actividades das sociedades organizadas." [Burrough 86]

        Efectivamente, a informação geográfica, organizada por temas, tem sido tradicionalmente apresentada sob a forma de mapas, desde as mais antigas civilizações. Recorrendo apenas a processos manuais, foi possível representar em folhas de papel o resultado das observações efectuadas sobre algumas características da superfície terrestre. Estas eram representadas por meio de pontos, linhas e áreas aos quais eram associados símbolos, cores e padrões, cujo significado era explicado numa legenda ou num texto. Com base neste tipo de mapas era possível realizar alguns tipos de análise. As primeiras operações de análise efectuadas tinham um carácter essencialmente qualitativo, já que se baseavam na mera observação visual e na intuição de quem efectuava a análise. Nos mapas baseados numa escala era também possível realizar algumas operações de análise quantitativa, basicamente relativas ao cálculo de distâncias e áreas.

        Contudo, a utilidade dos mapas desenhados manualmente é limitada por diversos factores. Um factor importante é o pouco detalhe que a generalidade dos mapas desse tipo possui; o custo de produção dos mapas desenhados manualmente leva à adopção preferencial de uma escala pequena e, consequentemente, à representação da informação com um nível elevado de generalização. Paralelamente, estes mapas rapidamente se encontram desactualizados; as alterações da realidade são frequentes e é impossível redesenhar a totalidade de um mapa sempre que tal sucede. Finalmente, as operações de análise espacial envolvendo diferentes temas é difícil; apenas teoricamente é possível efectuar manualmente a análise do resultado da combinação de mapas relativos a temas diversos, na prática tal só é possível para volumes pequenos de informação.

        O recurso a meios computacionais para suporte de informação espacial iniciou-se no princípio da década de 60, com a codificação digital da informação que, tradicionalmente, apenas era representada sob a forma de mapas. Contudo, só os avanços no campo da tecnologia informática alcançados no início da década de 70, particularmente os relacionados com o acesso directo a discos, permitiram obter resultados significativos. Posteriormente, o enorme aumento de eficiência do processamento computacional permitiu o recurso a diversos tipos de análise espacial.

        É possível distinguir quatro fases distintas na evolução dos SIG [Coppock e Rhind 91]. Estas sobrepuseram-se no tempo já que ocorreram em momentos diversos nos diferentes países. Existem factores que podem explicar tais diferenças, como por exemplo as diferentes atitudes por parte dos detentores da informação geográfica e os diferentes papéis assumidos pelos Estados.

        A primeira fase desenrolou-se entre o início da década de 60 e meados de 70. Nela predominaram contribuições individuais por parte de diversas personalidades. A segunda fase, que durou até ao início da década de 80, caracterizou-se pela realização de diversas experiências desenvolvidas e promovidas por organismos oficiais; as experiências e acções locais efectuaram-se de um modo muito independente e a duplicação de esforços foi frequente. Na terceira fase, até finais de 80, predominou a actividade comercial. Na quarta e actual fase, a preocupação dominante centra-se nos utilizadores. Esta perspectiva é facilitada pela grande concorrência existente entre os numerosos vendedores de produtos destinados à realização de SIG e a preocupação crescente relativamente à normalização dos sistemas abertos. Seguramente, para tal contribuem também os consensos que se vão obtendo entre os utilizadores sobre o que deve ser e como deve comportar-se um SIG.

        Os primeiros sistemas que foram desenvolvidos tinham como objectivos prioritários a produção automática de cartografia — conquanto na época, tal como agora, apenas fosse possível uma produção assistida por computador — relativa a temas da responsabilidade de alguns organismos oficiais dos EUA (como por exemplo, o U. S. Census Bureau). A esta abordagem, de mera substituição do trabalho manual por procedimentos automáticos, contrapôs-se a iniciativa de algumas Universidades. Nestas, a investigação dirigia-se principalmente no sentido da produção rápida de mapas, sem preocupações determinantes relativamente à sua qualidade e essencialmente para visualizar o resultado de modelações ou dados de arquivos grandes — como as tabelas de census, por exemplo — de modo a poder realizar-se alguma análise dos dados por meio do estabelecimento de relacionamentos entre diversos parâmetros. Neste campo pode distinguir-se o trabalho de Fisher e do seu grupo de colaboradores que em 1967, no Laboratory for Computer Graphics da Graduate School of Design da Universidade de Harvard, iniciaram a distribuição do SYMAP, o primeiro produto para processamento de mapas desse tipo, que foi largamente distribuído e adoptado para tipos diversos de aplicações.

        O CGIS (Canada Geographic Information System), cujo desenvolvimento se iniciou em 1966 sob responsabilidade de R.F. Tomlinson, é frequentemente citado como tendo sido o primeiro verdadeiro SIG, possibilitando não só a produção de cartografia como a realização de algumas operações de análise espacial. Este sistema tem vindo a operar ininterruptamente desde finais da década de 60 (tendo sido desenvolvido a partir de um projecto para classificar e inventariar todas as possíveis utilizações agrícolas do solo considerado produtivo do Canadá, sofreu desde essa altura inúmeras alterações e actualmente constitui apenas uma das componentes de um grupo integrado de sistemas de informação geográfica computadorizado, o Canada Land Data Systems).

        A utilização deste tipo de sistemas, permitindo interpretar os dados segundo diferentes perspectivas, possibilitou uma visão melhor da informação, bem como formas novas de proceder e de apresentar resultados. O sucesso obtido deveu-se, em grande parte, ao poder das representações no espaço para sugerir causas, explicações e relações.

        Os primeiros SIG foram construídos directamente sobre o sistema operativo recorrendo a compiladores e destinavam-se a responder a requisitos específicos. Muitos deles foram implementados em ambientes de investigação utilizando o que se pode classificar, informalmente, como pequenas bases de dados. O facto destes sistemas permitirem que, com facilidade, se pudesse actualizar a informação geográfica, visualizá-la e realizar diversos tipos de análise conduziu a que os SIG se tivessem tornado ferramentas essenciais de ajuda à tomada de decisões, sendo utilizados na construção de cenários alternativos que podiam ser refinados progressivamente e com custos relativamente baixos.

        Estas características dos SIG justificam que, durante algum tempo, eles fossem utilizados essencialmente como auxiliares na investigação científica, sobretudo quando as tomadas de decisão assumiam carácter relevante. Os primeiros sistemas surgiram para auxiliar a resolução de problemas de planeamento e controlo de zonas agrícolas, em especial florestas, aproveitamento de solos, gestão de redes hídricas e exploração mineira. Outras áreas de aplicação se poderiam ainda citar como a sociologia e a economia.

        Aos primeiros sucessos obtidos na utilização de SIG, seguiu-se a disponibilização de produtos comerciais especialmente desenvolvidos para o seu suporte, tentando responder de uma forma genérica aos requisitos dos mais variados tipos de aplicações que envolvem informação geográfica. Os produtos comerciais para suporte de SIG têm vindo a sofrer sucessivos aperfeiçoamentos, não só com o objectivo de melhorarem a sua eficiência, mas também para incorporarem novas técnicas de processamento de dados.

        Nos primeiros sistemas desenvolvidos, requisitos como a segurança e integridade da informação não eram considerados relevantes. Do desenvolvimento de variadas aplicações resultou um crescimento enorme do volume de informação, transformando requisitos inicialmente sem importância em factores decisivos de sucesso. Por esta razão, o sistema gestor de uma base de dados constitui uma componente fundamental de um grande número de SIG. Alguns produtos para suporte de SIG caracterizam-se mesmo pelo modo especialmente eficaz de suportarem esta componente.

        Actualmente, os SIG são utilizados como ferramentas de análise geográfica, por excelência, já que permitem a integração de grandes volumes de informação espacial e de outros tipos num mesmo sistema e o seu tratamento conjunto. Esta integração tornou-se possível como resultado da convergência de várias disciplinas e técnicas tradicionais. Dentre estas podem citar-se como especialmente relevantes a Geografia, Cartografia, Fotogrametria, Detecção Remota, Agrimensão, Geodesia, Engenharia Civil, Matemática, Estatística, Investigação Operacional, Informática, e dentro desta as áreas de CAD, Computação Gráfica, SGBD (Sistemas Gestores de Bases de Dados), Redes e Inteligência Artificial.

        Hoje em dia, a realização de um SIG faz-se, regra geral, sobre um produto comercial específico para este tipo de aplicações. Em 1988 eram conhecidas 37 empresas fornecedoras de software para SIG [GISWorld 88]. Em 1990 encontravam-se já recenseados cerca de uma centena de programas deste tipo [GISWorld 90]. Ao GIS Industry Survey de 1995 responderam 539 organizações de vários países, envolvidas em actividades relacionadas com SIG quer ao nível de fornecimento de produtos quer de serviços [Rajani 96]. Destas, 278 organizações fornecem 486 produtos, 50% dos quais foram classificados como produtos para SIG. Na realidade, a maioria dos produtos foi incluída em mais do que uma categoria reflectindo as suas diversas utilizações. Entre estas contam-se, também, as de Desktop mapping (32%), AM/FM (22%), SGBD (21%), Digitizing (21%), CAD (17%) e Processamento de Imagem (15%).

        As empresas ligadas à gestão e aproveitamento de florestas, exploração de redes de transportes e telecomunicações, e os organismos responsáveis por planeamento urbanístico, vias de comunicação e defesa do ambiente encontram-se entre os principais utilizadores de SIG. A limitação na sua utilização reside essencialmente na necessidade de um grande investimento económico inicial. Este deve-se, em parte, à aquisição do equipamento informático de suporte, mas sobretudo ao trabalho inicial de recolha e introdução dos dados. Esta fase requer, por enquanto, recurso intensivo a processos manuais que exigem uma elevada especialização por parte de quem os executa. A resolução de qualquer problema envolve sempre um grande volume de informação geográfica. Como foi já referido, a utilização crescente de técnicas de detecção remota a partir de satélites fornece, actualmente, o maior volume de informação. Contudo, este tipo de informação não é adaptado a todos os problemas e, mesmo nos casos em é considerado adequado, exige várias fases de pré-processamento e o recurso a diversas técnicas de processamento para que os dados possam ser utilizados [Aronoff 89].

        O uso crescente de produtos comerciais para o desenvolvimento de SIG tendo contribuído decisivamente para a disseminação deste tipo de sistemas com todas as naturais vantagens que lhes são inerentes, teve no entanto custos. Em muitos casos, a perspectiva com que os SIG têm sido encarados é muito limitada pela tecnologia existente e os esforços são dirigidos essencialmente para encontrar soluções para problemas imediatos [Peuquet 94].

    2.3 Funcionalidade genérica
        Um SIG deve, tal como outros SI, permitir que se realizem com eficiência as operações elementares de adição, remoção e actualização dos dados, bem como operações do tipo selecção sobre os valores dos vários atributos. O processo de visualizar, processar ou analisar informação espacial requer, basicamente, que sejam seleccionados dados existentes num SIG. Estabelecendo um paralelo com o que é usual fazer nos SI convencionais, poder-se-ia dizer que num SIG também se realizam queries. Mas, contrariamente ao que sucede nos outros SI, a maior parte destas incorporam explicitamente relações espaciais para descrever restrições sobre os objectos espaciais que se pretendem tratar.

        Actualmente, num SIG as queries efectuam-se independentemente da sua semântica, sendo especificadas em termos meramente funcionais, recorrendo a operações como as que são descritas na subsecção 2.3.1. Assim, nos SIG estas operações elementares constituem características especiais; acresce ainda que existem outras operações que se consideram também elementares nos SIG, não o sendo em outros sistemas que também têm vindo a ser utilizados no suporte de informação geográfica.

        Efectivamente, a distinção entre SIG e outros sistemas, como de Computer-Aided Design (CAD) ou de produção de cartografia, pode fazer-se recorrendo a um critério baseado na funcionalidade que cada um desses sistemas disponibiliza. Nesta perspectiva, a característica mais relevante de um SIG é a sua capacidade para realizar de uma forma automática a síntese de dados geográficos de diversas naturezas, incluindo dados calculados também pelo próprio sistema. Deste modo, os SIG distinguem-se por produzir informação nova — qualidade distinta do acesso simples a dados previamente registados — que pode ser utilizada para actualizar os dados desse mesmo SIG.

        A capacidade para suportar representações gráficas da informação pode-se considerar uma qualidade típica dos SIG, mas que é partilhada pela generalidade dos sistemas que incluem dados relativos a características espaciais da informação. Efectivamente, a informação geográfica é, normalmente, apresentada ao sistema (na fase de entrada de dados) e ao utilizador (na saída de resultados) como uma imagem, frequentemente uma carta, representativa de um conjunto vasto de informações. Este facto reflecte-se também nos dispositivos para individualização e selecção de objectos; tradicionalmente um mouse cuja evolução conduziu aos mais recentes light-pen e data glove.

        Assim, a importância de visualizar em conjunto diversos objectos espaciais e os respectivos atributos determina que a funcionalidade dos sistemas inclua, como característica fundamental, o suporte de imagens. Aqui, a utilização do termo imagem pretende realçar o facto da informação ser codificada recorrendo, nomeadamente, a símbolos, figuras, etiquetas, padrões e cores. Esta codificação, associada ao local onde ocorre, tem como principal consequência permitir que uma grande quantidade de informação possa ser fornecida ao utilizador, de um modo simultaneamente compacto e compreensível. Assim, o termo imagem é aqui utilizado para referir o que convencionalmente se designa por cartas.

        Este processo requer, em contrapartida, que o utilizador seja capaz de interpretar de um modo correcto a imagem. Empiricamente, a visualização é reconhecida como um meio privilegiado para se efectuarem reconhecimentos de padrões e tendências, bem como para se detectarem erros e outliers.

        A visualização pode ser considerada como uma disciplina sob várias perspectivas. Em [Buttenfield e Mackaness 91] esta questão é apresentada detalhadamente, sendo destacado o papel da visualização nos seus vários aspectos, nomeadamente, como um meio para seleccionar e aceder a informação pertinente, como um meio eficaz de comunicar padrões complexos, como formalização de princípios claros para uma apresentação de dados que optimize os meios de processamento visual e como um meio para sugerir e controlar o uso de cálculos analíticos para modelar e interpretar dados.

        A investigação neste campo levou à adopção de várias normas para produção de cartas. Durante muito tempo, por exemplo, a colocação automática de nomes em cartas —sobretudo topográficas que se caracterizam por uma elevada densidade de informação —constituíu um problema que se encontra, parcialmente, ultrapassado pela adopção de algoritmos fornecendo soluções apropriadas e razoavelmente eficientes para a generalidade dos casos. Actualmente, os esforços relativamente a este problema têm por objectivo o refinamento de regras, o desenvolvimento de procedimentos mais sofisticados para resolução de conflitos entre regras e a criação de novas regras para a produção de cartas temáticas e topográficas especiais ou de cartas utilizando projecções pouco habituais.

        O aspecto da visualização nos SIG tem sido abordado especialmente na perspectiva da produção automática de cartas e a criação de novos métodos alternativos tem sido pouco explorada. O recurso à tecnologia só em casos pontuais tem servido para produzir imagens de tipo diferente daquelas que podem ser produzidas manualmente. É possível que a investigação presentemente em curso, versando a integração dos SIG em ambientes de Virtual Representation (VR), venha alterar significativamente a situação actual.

        Conquanto a produção automática de cartas não seja o seu principal objectivo, são os sistemas cartográficos que melhor se adequam a este requisito, os SIG permitem, geralmente, a obtenção de cartas com alguma qualidade. Para cumprir este objectivo, muitos produtos comerciais disponibilizam um conjunto de operações gráficas, a maioria das quais exige que a plataforma de hardware exiba algumas capacidades gráficas, tanto no que respeita a monitores, como a periféricos para saídas em papel; a eficiência e qualidade destes componentes pode ter um papel determinante no comportamento da globalidade do sistema.

    2.3.1 Classificação taxonómica das operações espaciais
          As classificações das operações dos SIG vulgarmente apresentadas encontram-se muito dependentes do contexto em que são tratadas, seja aplicacional ou de sistema. Aquela que aqui é apresentada pretende apenas organizar essas operações conceptualmente e independentemente de qualquer sistema existente e segue de perto a formulação proposta em [Lanter 92].
           
          • Entrada de dados
          • Compilação de dados
            Georreferenciação de dados
            Restruturação dos dados
            Edição de dados
          • Manipulação de dados
          • Selecção
            Descrição
            Transformação por operações
            aritméticas
            para definição de categorias
            geométricas
            Derivação de informação por
            generalização
            geração de buffers
            overlays
            derivação sobre superfícies curvas
          • Saída de resultados
          • Desenho gráfico
            Visualização
            Restruturação
            Resumo de informação
          • Aplicações 3D
          • Cálculo de altitudes
            Manipulação de imagem
          As operações que figuram neste esquema de classificação encontram-se descritas no Anexo I.
          A maior parte das operações efectuadas pelos SIG, tanto para realização de cálculos como para processamento de imagem, envolvem um grande volume de informação e o recurso a algoritmos frequentemente complexos. Este facto justifica a necessidade das plataformas de hardware para SIG possuírem uma capacidade de processamento relativamente elevada.
    2.4Produtos genéricos para suporte de SIG
    Como já foi atrás referido, presentemente o desenvolvimento da grande maioria dos SIG, para o espaço 2D ou 2.5, faz-se recorrendo a um produto especialmente vocacionado para a realização de sistemas deste tipo.

    Embora um SIG possa ser desenvolvido recorrendo a diversos tipos de produtos genéricos, existem determinados produtos que podem ser considerados como especialmente vocacionados para esse efeito. A distinção entre este tipo de produtos e outros tem sido realizada recorrendo a vários critérios. Em [Cowen 88] são referidas algumas abordagens, utilizadas por diferentes autores, para definir produto para suporte de SIG — orientadas para processos, aplicacionais, de tipo ferramenta e de tipo base de dados.

    Contudo, dada a caracterização de SIG feita anteriormente, a distinção entre produtos especialmente adequados ao suporte de SIG e outros, também capazes de suportar informação geográfica, deve ser feita com base na sua melhor adequação ao suporte das operações descritas como típicas destes sistemas de informação. Embora um produto não necessite de fornecer todas as funções correspondentes às operações apresentadas para ser considerado um suportes adequado de SIG, deve suportar a grande maioria delas. Assim, de uma forma resumida, pode dizer-se que os produtos genéricos para suporte de SIG se caracterizam por exibir funcionalidade específica para realização de análises de carácter espacial.

    De um modo muito geral, um produto para desenvolvimento de SIG pode ser visto como um conjunto de subsistemas inter-relacionados [Cowen 91]:

    1. Um subsistema para a entrada e armazenamento dos dados que permita
      1. a aquisição de dados — a partir de mapas em papel, tabelas de atributos, mapas previamente digitalizados associados à informação sobre os atributos, fotografias aéreas, imagens de satélite ou trabalhos de campo;
      2. a entrada de dados — que geralmente exige o recurso a periféricos específicos, tais como scanners ou mesas digitalizadoras, bem como a aplicação posterior de diversas técnicas que garantam a precisão da informação registada;
      3. o armazenamento de dados — organizados de modo a garantir a segurança da informação e uma eficiente utilização dos dados pelo restantes submódulos.
    2. Um subsistema de análise de dados para
      1. acesso e análise — desde respostas a simples queries até análises espaciais e estatísticas complexas de grandes volumes de dados;
      2. saída de informação — sob a forma de mapas, tabelas, gráficos produzidos por impressoras ou plotters, ficheiros para entradas noutros sistemas.
    3. Um subsistema de interface com o utilizador
      1. para a comunicação do utilizador com os restantes subsistemas;
      2. que permita a coexistência de utilizadores de vários tipos;
      3. que possibilite a interacção com outros sistemas;
      4. que seja de tipo gráfico e normalizado.
    4. Um subsistema para gestão
      1. de acessos múltiplos e da inserção na organização;
      2. dos utilizadores do SIG;
      3. dos procedimentos.
    Na maioria dos produtos comerciais para SIG, os dados relativos a objectos espaciais, localizados numa determinada área do espaço, são estruturados em camadas — vulgarmente denominadas layers e, por vezes, coverages [ESRI 92]. Basicamente, cada camada corresponde a um tema, eventualmente um tema e uma data, o método clássico para representação de informação com características temporais. Isto é, numa camada são agrupados os dados relativos a localizações geográficas e atributos de objectos espaciais com características comuns. Assim, por exemplo, pode ser definida uma camada para conter dados relativos a rios, outra para estradas, outra para cotas e outra para tipos de solo.

    Num grande número de produtos, o conjunto de características comuns, que caracteriza uma camada, inclui também o tipo de geometria dos objectos; assim, numa mesma camada só podem ser representados objectos de tipo ponto, linha ou polígono; este tipo de restrição encontra-se, naturalmente, associado apenas às camadas armazenadas em estruturas de dados vectoriais.

    Dependendo das características próprias de cada produto, uma camada pode ser caracterizada recorrendo apenas a um atributo, cujo tipo de valores é definido pelo utilizador, ou a mais atributos definidos automaticamente (por exemplo, um identificador dos objectos, o comprimento de linhas para as camadas deste tipo, o perímetro e área de polígonos para as camadas de polígonos). Alguns sistemas oferecem a possibilidade do utilizador definir o nome e tipo de valores de mais do que um atributo.

    Para além dos aspectos funcionais, mais ou menos completos relativamente às operações de análise espacial atrás descritas, existem alguns aspectos técnicos que permitem distinguir tipos diferentes de produtos. A especificidade dos SIG baseia-se essencialmente na natureza característica da informação geográfica, a que correspondem tipos de dados particulares, e no tipo de problemas a que se destinam, a que correspondem determinados conjuntos de processamento de dados típicos. Assim, é natural que exista um determinado conjunto de técnicas especialmente adequadas à realização do subsistema responsável pelo armazenamento dos dados, nomeadamente no que se refere a arquitecturas de armazenamento de dados e a estruturas (lógicas e físicas) utilizadas na organização dos dados.

    Como em qualquer outro sistema, em que o volume de dados é relevante, o modo como é realizado o armazenamento dos dados deve ser decidido tendo em consideração dois objectivos importantes: a economia do espaço de armazenamento e a eficiência com que serão realizadas as operações que manipulam esses dados e que se prevêem vir a ocorrer mais frequentemente. Relativamente a estes dois problemas, cada um deles apresentando determinados requisitos difíceis de compatibilizar, as diferentes técnicas podem distinguir-se pela solução de compromisso que representam, isto é, pelos aspectos a que dão maior ênfase em detrimento de outros.

    A complexidade e diversidade de problemas, para cuja solução os SIG são criados, justifica o facto de, por vezes, não ser possível encontrar um produto que suporte todo o processamento de dados necessário. Nestas situações, é indispensável recorrer a outros produtos, os quais podem ser dos mais variados tipos — desde processamento de estatísticas e cálculos matemáticos, até sistemas de hypermedia, passando por compiladores de linguagens de programação. Assim, os meios de comunicação com outros sistemas, que cada produto para suporte de SIG disponibiliza, podem também constituir um critério de distinção entre eles.

    2.4.1 Arquitecturas de armazenamento de dados
        Fundamentalmente, as arquitecturas dos vários produtos distinguem-se pelo modo como estes suportam o armazenamento dos dados. Segundo este critério, os sistemas podem classificar-se como baseados em ficheiros, em SGBD e híbridos.

        Tipicamente, nos sistemas baseados em ficheiros, os dados de cada camada são armazenados num ficheiro suportado directamente pelo sistema operativo. Normalmente, é criado um segundo ficheiro documentando o conteúdo do primeiro e permitindo, por exemplo, a definição de títulos e de textos para criação de legendas.

        Por motivos de eficiência de processamento dos dados, este tipo de arquitectura é utilizado essencialmente pelos produtos que utilizam apenas estruturas de dados raster. O IDRISI (da Graduate School of Geography da Clark University) é um exemplo de sistema com este tipo de arquitectura.

        Os sistemas baseados em SGBD recorrem a um produto desta categoria — comercial ou proprietário — para realizar o armazenamento de dados. Segundo o modelo de dados que suportam, os SGBD podem ser de vários tipos. Os tipos mais divulgados são os dos sistemas hierárquicos, em rede e relacionais [Star e Estes 90]. Os SGBDOO (Sistemas Gestores de Bases de Dados Orientados por Objectos), sendo mais recentes e encontrando-se ainda numa fase de desenvolvimento, são mais um tipo de SGBD a considerar. Todos estas categorias de SGBD têm sido experimentadas no desenvolvimento de SIG; até agora, os sistemas relacionais foram os que maior sucesso obtiveram.

        Efectivamente, os sistemas de tipo hierárquico oferecem uma estrutura de dados demasiado rígida e pouco adequada à maioria das características típicas da informação geográfica; embora alguns SIG se adaptem bem a estruturas hierárquicas — a estrutura em árvore é natural em alguns tipos de informação geográfica — esta característica não se pode generalizar à maioria deles. Quanto aos sistemas em rede, oferecendo uma estrutura mais flexível, o problema que constitui a sua complexidade — e a consequente dificuldade de divulgação — parece ter sido o maior obstáculo à sua adopção.

        Assim, são claramente os sistemas relacionais que dominam na área dos produtos baseados em SGBD. A flexibilidade e crescente divulgação deste tipo de sistemas contribuem para facilitar a utilização dos SIG e para uma integração mais natural nos SI das empresas. De um modo geral, a principal limitação deste tipo de produtos relaciona-se com a ineficiência dos sistemas relacionais no processamento de grandes volumes de dados —uma característica inerente aos dados relativos a localizações geográficas. Este problema tem sido objecto de investigação, sobretudo com o fim de serem encontradas estruturas de índices especialmente eficientes para aceder a esse tipo de dados.

        Por outro lado, um SIG desenvolvido sobre um SGBD robusto pode oferecer vantagens importantes relativamente a aspectos como gestão de acessos concorrenciais e de sistemas distribuídos, recuperação de dados em situações de falha e estabelecimento de mecanismos de segurança. Por este motivo, e não obstante as suas limitações, muitos SIG têm sido desenvolvidos sobre sistemas relacionais.

        Trabalhos como [Egenhofer e Frank 87] e [Frank 88] lançaram os fundamentos para o uso de SGBDOO no desenvolvimento de SIG. Posteriormente, os trabalhos de carácter exploratório realizados recorrendo ao Postgres (da Universidade da California, Berkeley) e ao GRASS (do Construction Engineering Research Laboratory da U.S. Army) [Roberts et al. 91] [Guptill e Stonebraker 92], recorrendo ao Postgres [van Oosterom e Vijlbrief 91], recorrendo ao O2 (da O2 Technology) [Scholl e Voisard 92]e recorrendo ao ONTOS (da Ontos Inc.) [Milne et al. 93], parecem confirmar a possibilidade de desenvolvimento de produtos baseados em SGBDOO com algumas vantagens.

        Entre os produtos baseados em SGBD é, ainda, possível distinguir arquitecturas em camadas e arquitecturas integradas [Vijlbrief e van Oosterom 92]. É importante notar que, nem sempre é fácil classificar um produto quanto à arquitectura em que se baseia; o Smallworld GIS (da Smallworld Systems), por exemplo, possui características de arquitectura em camadas e de arquitectura integrada.

        A arquitectura em camadas caracteriza-se por possuir uma camada, denominada camada de suporte espacial, para tradução da funcionalidade característica dos SIG em termos de operações suportadas pelo SGBD. Produtos como o System9 (da Unisys Corporation), GEOVIEW (da Universidade de Edinburgh) e SIRO-DBMS da (CSIRO Australia), são exemplos típicos de sistemas de arquitectura em camadas.

        Presentemente, o desenvolvimento de produtos de arquitectura integrada encontra-se em investigação. Contrariamente aos anteriores, este tipo de produtos não pode recorrer a um sistema relacional convencional. Requer o uso de um SGBD aberto com capacidades de extensão — como o Postgres — para, por exemplo, definição de tipos de dados adequados à informação geográfica e respectivos métodos de acesso. A maior eficiência obtida por este tipo de arquitectura constitui a principal vantagem adicional. Os sistemas TIGRIS (da Intergraph) e GEO++ [van Oosterom e Vijlbrief 91] são exemplos característicos de produtos de arquitectura integrada.

        Actualmente, os produtos de uso mais generalizado são sistemas híbridos — também denominados de arquitectura dual. Nestes, só os valores dos atributos dos objectos espaciais residem num SGBD relacional. Este pode ser um sistema comercial, como o Oracle (da Oracle Corp.), dBase (da Borland), Access (da Microsoft), Fox Pro (da Microsoft), Informix (da Informix) ou Ingres (da Ingres), ou proprietário. Os dados referentes a localizações geográficas são armazenados recorrendo a outro tipo de técnicas — normalmente, não descritas na documentação por serem propriedade dos fabricantes. Deste modo, as características dos objectos espaciais são distribuídas por dois subsistemas e ligadas entre si por meio de um identificador comum. O ARC/INFO (da ESRI), MGE (da Intergraph Corp.), GRASS e SPANS (da TYDAC), constituem exemplos de produtos de arquitectura híbrida.

        A principal vantagem deste tipo de produtos reside na sua eficiência aliada às vantagens do uso de um sistema relacional para armazenamento e manipulação de uma parte significativa dos dados. Contudo, o facto da manipulação dos dados exigir o recurso a linguagens muito distintas, segundo o subsistema que efectua o processamento — por vezes associadas também a interfaces distintos — torna a utilização destes sistemas mais difícil do que seria de desejar. Também o facto dos dois subsistemas não recorrerem a um protocolo comum para gestão de acessos e regras de segurança pode causar, entre outros problemas, falhas ao nível da integridade da informação.

    2.4.2 Estruturas para armazenamento de dados
        As estruturas para armazenamento de dados dos produtos genéricos para suporte dos SIG devem ser analisadas a dois níveis distintos. Um primeiro, aqui designado nível lógico, relativo às estruturas que os produtos disponibilizam para manipulação directa pelo utilizador. O segundo, geralmente designado nível físico, refere-se ao modo como as estruturas lógicas são realizadas computacionalmente por cada produto.

        As estruturas lógicas de dados são utilizadas frequentemente para caracterizar os tipos de produtos presentemente disponíveis. Sendo possível estabelecer algumas relações entre certas estruturas lógicas e o tipo das respectivas realizações físicas, o conhecimento detalhado das últimas é difícil dado que são, maioritariamente, propriedade do fornecedor. Se as estruturas lógicas são importantes do ponto de vista da facilidade de utilização e da adequação especial para um determinado tipo de problemas, das estruturas físicas depende em grande parte o grau de eficiência dos sistemas — cuja importância é fundamental para muitos SIG sobretudo os que envolvem maiores volumes de dados e operações mais complexas, como já foi por várias vezes referido.

        Tradicionalmente, as estruturas para suporte de dados espaciais, típicas dos produtos para SIG, classificam-se em raster e vectorial. Muitos produtos fornecem algoritmos para conversão de estruturas de dados raster em vectorial e vice-versa, que podem ser utilizados sob determinadas condições [van der Knaap 92], permitindo a escolha da estrutura mais adequada a cada situação.

        Quando é utilizada uma estrutura raster, a área objecto de estudo, normalmente um rectângulo, considera-se dividida numa grelha de células com a forma de quadrados de dimensão fixa. Estas células constituem uma partição da área de estudo e a cada uma delas encontra-se associado o valor de um determinado atributo — eventualmente, o identificador único atribuído a cada objecto de um determinado conjunto de objectos espaciais. O conjunto de células e respectivos valores constitui uma camada. O tipo de valores que podem ser atribuídos às células é variável; frequentemente, são utilizados valores inteiros, mas também podem ser de tipo real, alfanumérico ou lógico. Geralmente, a cada uma destas células corresponde um pixel do monitor nas operações de visualização — embora as operações de zoom possam alterar este tipo de correspondência — pelo que é frequente as células serem denominadas pixels.

        As estruturas raster adaptam-se naturalmente ao suporte de dados entrados por scanner e provenientes de bandas de dados recolhidos por detecção remota via satélite. O recurso a este tipo de estruturas possibilita, de um modo geral, o desenvolvimento de produtos de utilização relativamente simples e com níveis apreciáveis de eficiência na realização de determinadas operações de análise espacial — tais como, produção de overlays, geração de buffers e uso de filtros. Contudo, este tipo de estrutura de dados é especialmente adequado a situações em que os objectos espaciais são georreferenciados por coordenadas do plano e possuem um pequeno número de atributos, assim como a dois tipos de problemas com características de algum modo opostas.

        Num primeiro tipo, situam-se os problemas em que o espaço é subdividido em áreas homogéneas relativamente extensas, isto é, quando o espaço em questão pode ser subdividido num número limitado de áreas, possuindo cada uma destas um valor comum de um dado atributo — encontram-se neste caso, por exemplo, os problemas relacionados com a cobertura vegetal dos solos e com as fronteiras políticas e administrativas.

        Num segundo tipo, situam-se os problemas em que a informação varia com frequência no espaço, os quais também são geralmente caracterizados pela existência de dificuldades na determinação de contornos distintos para individualização de áreas com características comuns. Um caso típico desta categoria de problemas é a representação do relevo do terreno, isto é, o espaço 2.5. Efectivamente, os DEM (Digital Elevation Model) —consistindo numa malha regular de altitudes determinadas, maioritariamente, recorrendo a funções de interpolação — são o meio mais simples de representação digital do relevo. Neste tipo de modelo, a resolução — isto é, a distância entre pontos adjacentes da malha —é um parâmetro crítico para obtenção de um grau de precisão aceitável.

        Uma limitação deste tipo de estruturas de dados, que pode ser relevante em alguns problemas, baseia-se no facto de as imagens obtidas apresentarem linhas de contorno irreais, já que estas são formadas a partir de lados de polígonos que constituem a grelha. Alguns produtos recorrem a funções de tipo spline para atenuar este aspecto e produzir imagens esteticamente mais aceitáveis, embora nem por isso mais precisas relativamente à realidade. Efectivamente, uma vez que a grelha imposta à área em estudo é totalmente independente das características desta, existem sempre várias células, sobretudo nas fronteiras entre regiões distintas, que não são realmente homogéneas relativamente ao atributo em observação. Este tipo de imprecisão pode influenciar de um modo muito negativo o cálculo de perímetros e áreas, por exemplo.

        O uso de estruturas de tipo raster caracteriza-se por envolver um volume elevado de dados. A constatação de que em muitas situações a informação geográfica tende a ser espacialmente autocorrelacionada — isto é, a probabilidade de encontrar células com o mesmo valor observado numa dada célula é tanto maior quanto mais perto nos encontrarmos desta célula — conduziu ao desenvolvimento de vários algoritmos para compactação de dados.

        Um tipo comum de compactação de dados consiste numa codificação em que sequências de células com valor idêntico são substituídas pelo número de repetições e respectivo valor. Este método possui diversas variantes. De entre estas distingem-se aquelas que procuram a melhor maneira de percorrer as células da matriz, correspondente a uma estrutura de dados raster, de modo a encontrar sequências grandes de células com o mesmo valor — como o método de run encoding, a Ordem de boustrophedon, a Ordem de Morton ou a Ordem de Peano (ou de Hilbert). Os testes realizados parecem indicar que os métodos de boustrophedon e de Peano permitem uma maior compactação dos dados, embora as diferenças não sejam muito significativas [Peuquet 91].

        Outras abordagens, relativamente mais eficientes, têm também sido utilizados para armazenamento e acesso de dados [Aref e Samet 92] [Freeston 92] [Hjaltason e Samet 95] [Shekhar et al. 95]. Os mais conhecidos baseiam-se na divisão recursiva de uma matriz em quadrantes, por uma ordem determinada, até serem encontrados quadrantes homogéneos — isto é, em que todas as células possuem o mesmo valor. Pertencem a esta categoria o método de pixels indexados e de quadtrees [Samet 90]. De realçar que, para as estruturas de quadtree, foram desenvolvidos diversos algoritmos de apreciável eficiência, para medição da área onde ocorre um determinado atributo, realização de operações de overlay, determinação de adjacências e medição de fronteiras comuns, entre outros.

        A utilização de estruturas de dados vectoriais requer a identificação de objectos espaciais de geometria simples — isto é, possíveis de classificar quanto à forma geométrica como ponto, linha ou polígono. A respectiva localização no espaço é representada por meio de coordenadas geográficas contínuas (globais ou do plano). De uma forma geral, as características espaciais dos objectos são representadas sob forma vectorial como conjuntos de pares ordenados do tipo {(xi,yi),i=1...n}.

        Os primeiros produtos desenvolvidos sobre estruturas vectoriais limitavam-se a armazenar, para cada objecto, as respectivas coordenadas geográficas e atributos. Este modo de armazenamento, presentemente utilizado ainda por alguns sistemas para produção de cartografia, é vulgarmente designado modelo spaghetti. A constatação de que este modelo não possibilita a realização eficiente de operações envolvendo relacionamentos topológicos, para além de implicar duplicações de informação sem qualquer controlo (as coordenadas geográficas de contornos comuns a dois ou mais objectos), conduziu à adopção de outras formas de estruturar a informação espacial tirando partido de algumas potencialidades das relações espaciais [de Hoop e van Oosterom 92].

        Assim, no sentido de evitar o registo duplicado de linhas, alguns produtos optam por representações baseadas em nós e arcos, cujas coordenadas são registadas uma única vez. Um nó define-se como um ponto delimitador de uma linha ou como um ponto de intersecção de duas ou mais linhas. Um arco é qualquer porção de linha delimitada por dois nós. Neste caso, uma linha é constituída por um arco ou por um conjunto ordenado de arcos sujeito a restrições.

        Por outro lado, a obtenção de níveis aceitáveis de eficiência no processamento é alcançada recorrendo à representação explícita de alguns tipos de relacionamentos topológicos entre os dados. A representação de redes, por exemplo, pode incluir para cada linha dois atributos para identificação dos respectivos nós inicial e final e para cada nó os identificadores das linhas que passam por ele. Na representação de polígonos, por exemplo, para cada arco podem representar-se os identificadores de cada um dos dois polígonos que o arco delimita. Naturalmente, este tipo de estruturas implica redundância dos dados, porém, o seu volume — em termos de espaço de armazenamento global — é menor do que o observado nos modelos de tipo spaghetti e o seu controlo — em termos de coerência da informação — possível.

        As estruturas de dados vectoriais podem também ser utilizadas para representar modelos de relevo do terreno. Normalmente, nestes casos é utilizada uma Triangulated Irregular Network (TIN), na qual se utiliza uma amostra de pontos irregularmente distribuídos no espaço, tipicamente com mais observações nas áreas mais rugosas. Isto permite obter modelos mais fiáveis do que os DEM a partir de amostras de menor dimensão. Recorrendo ao método de construção de triângulos de Delaunay, ou ao seu dual para criação de polígonos de Thiessen, esses pontos são unidos criando-se áreas caracterizadas pelo respectivo declive e orientação. Naturalmente, para a qualidade do modelo final é decisiva uma boa escolha dos pontos que constituem a amostra, tendo sido desenvolvidas diversas técnicas específicas para auxiliar esse tipo de decisão [Poiker 91].

    2.4.3 Transacções longas
        A existência de transacções longas é uma característica comum à maioria dos sistemas envolvendo dados georreferenciados.

        Efectivamente, as alterações efectuadas nestes sistemas realizam-se, frequentemente, em regiões relativamente grandes e são o resultado de um processo de planeamento, onde as alterações são concebidas, analisadas e aperfeiçoadas até ser atingida uma solução correcta. Naturalmente, a introdução destas alterações na base de dados exige algum tempo e a realização de diversas operações que não é possível prever de uma forma determinística.

        Alguns produtos destacam-se por permitirem o acesso multi-utilizador aos dados, durante estas operações, e possuem mecanismos para garantia da integridade dos dados.

        Geralmente, o suporte a transacções longas e a acessos concorrentes envolve o conceito de dados locais. Basicamente, os dados locais são uma cópia da base de dados espacial para ficheiros de trabalho. As alterações são primeiramente efectuadas nestes ficheiros, enquanto a base de dados permanece inalterada até que a transacção termine. Quando o utilizador decide terminar a transacção, os dados locais são integrados na base de dados. A fig. 2 esquematiza a arquitectura genérica para o suporte de transacções longas.
         


        fig. 2 - Arquitectura genérica para transacções longas


         


        Existem várias soluções técnicas para o suporte de transacções longas. Na solução usualmente denominada "pessimista" todas as entidades localizadas numa área geográfica a alterar deixam completamente de estar acessíveis a outras transacções; consequentemente, nestes casos não existe verdadeiramente acesso concorrencial aos dados. As restantes soluções, suporte a versões e lock das entidades apenas quando estas são alteradas, podem suportar acessos concorrenciais.

        Na solução de suporte a versões, durante períodos de tempo significativos, um mesmo conjunto de entidades espaciais pode encontrar-se em tantas situações diferentes quantas as transacções que se encontram iniciadas e já alteraram esse objecto e, ainda, na situação em que a entidade se encontrava antes dessas transacções terem iniciado. Cada transacção manipula a entidade na situação em que esta se encontrava antes de a transacção ter sido iniciada ou numa situação determinada por alguma operação dessa transacção. Assim, as operações executadas por uma transacção determinam as características de cada entidade de uma forma totalmente independente do que está ser executado pelas outras transacções. Quando uma transacção é finalizada, os eventuais conflitos são resolvidos recorrendo à intervenção do utilizador sob controlo do produto de suporte que gere as diferentes versões criadas. Esta solução permite a ocorrência de conflitos de difícil solução.

        Na solução de lock de entidades, uma entidade depois de alterada encontra-se em duas situações distintas, uma determinada pela transacção que a alterou e ainda não terminou e outra, locked — isto, é com acesso apenas para leitura — na situação em que se encontrava antes de ser alterada. A primeira destas situações é visível apenas pela transacção que alterou essa entidade; as actividades de leitura executadas pelas outras transacções concorrentes são executadas sobre a entidade tal como esta se encontrava antes de ser alterada. Esta é a solução técnica que, presentemente, melhor suporta acessos concorrentes porque impede a geração de situações de incompatibilidade de difícil solução entre os dados.

        A evolução tecnológica na área dos produtos para suporte de dados geográficos, especificamente o suporte a transacções longas, contribuiu para resolver alguns dos problemas que no passado limitavam o desenvolvimento de aplicações geográficas com funcionalidade dinâmica significativa.

    2.4.4 Comunicação com outros sistemas computacionais
    A maior parte dos produtos para suporte de SIG não são desenhados para permitir a comunicação com outros sistemas computacionais. Desta regra podem exceptuar-se os produtos desenvolvidos sem objectivos predominantemente comerciais, como o IDRISI e o GRASS. Genericamente, os produtos específicos para desenvolvimento de SIG oferecem um ambiente próprio de trabalho e uma linguagem para interacção com o sistema que, em alguns produtos, pode também ser utilizada na construção de procedimentos e desenvolvimento de aplicações.

    Este facto associado à impossibilidade de aceder directamente aos dados, por falta de informação relativamente ao modo como são fisicamente armazenados, permite concluir que este tipo de produtos possui uma arquitectura tipicamente fechada. Só muito recentemente se começaram a fazer sentir alguns sinais de que esta situação será no futuro alterada [Gomes 97].

    Assim, entre os utilizadores de SIG, é frequente referir-se a dificuldade que reveste utilizar os dados destes sistemas recorrendo a outros produtos, tais como folhas de cálculo ou produtos para tratamento de problemas da área da Estatística — o SAS (do SAS Institute Inc.) ou o SPSS (da SPSS Inc.), só para citar alguns dos mais conhecidos. Por outro lado, a hipótese alternativa dos produtos comerciais para suporte de SIG passarem a dispor do tipo de funcionalidades que aqueles produtos oferecem não parece credível, dada a quantidade, variedade e complexidade dos problemas que é possível encontrar.

    Outro problema, de algum modo relacionado com o anterior, surge da necessidade frequente de os dados geográficos serem tratados por programas desenvolvidos para suportarem modelos de análise espacial. Estes modelos são inúmeros e, geralmente, são utilizados num conjunto de problemas muito restrito, daí que também não seja expectável que os produtos para SIG os passem a incorporar.

    Nestes casos, a solução mais típica consiste na conversão dos dados do SIG para ficheiros convencionais ou, pelo menos, para um formato conhecido e posterior formatação destes de um modo adequado a poderem ser utilizados por outro produto informático ou por um programa.

    2.5 Os SIG e a Internet
    No tratamento de muitos problemas com características geográficas é indispensável a integração de dados provenientes de diversas fontes. Naturalmente, a Internet é um meio privilegiado para aceder e transportar dados que se encontram distribuídos por diferentes sistemas.

    A Internet é, também, o local adequado por excelência para a divulgação da existência de dados geográficos por parte dos seus fornecedores. No entanto, esta divulgação necessita de ser acompanhada de informação relativa à natureza e qualidade dos dados e exige a criação de mecanismos de pesquisa eficientes segundo diferentes critérios, quer hierárquicos quer ortogonais.

    Também a capacidade de alguns browsers da World Wide Web (WWW), como o Netscape e o Internet Explorer, para suporte de diversos tipos e estruturas de dados, conjugados com as potencialidades de linguagens de programação como o JAVA, permite encarar estes produtos como potenciais ferramentas para a integração de informação geográfica distribuída e de dados Multimedia.

    Algumas experiências permitiram já a verificação de algumas vantagens desta integração e a identificação de problemas [Nobre e Costa 96]. A integração de dados Multimedia nos SIG pode representar um real aumento no seu valor. Efectivamente, em muitos casos, a multiplicidade de características da informação geográfica e a complexidade de muitas delas são muito mais eficazmente descritas recorrendo, por exemplo, a som e a fotografia; esta constatação aplica-se muito particularmente a determinadas aplicações, por exemplo na área de turismo e de apoio ao combate de incêndios. A maior parte dos problemas identificados neste campo relaciona-se com a eficiência do produto final e com as restrições impostas pelo carácter fechado dos produtos de suporte a SIG.

    Finalmente, mas não menos importante, a Internet pode ainda constituir uma forma de rentabilização de muitos SIG mediante a disponibilização de serviços via rede a um grande conjunto de utilizadores.

    A utilização de informação geográfica em ambientes de redes, criou novos problemas na área da engenharia de computadores. Entres estes contam-se, a criação de estruturas adequadas, simultaneamente, aos dados geográficos e a uma comunicação eficiente e, também, o desenho de arquitecturas de suporte ao desenvolvimento de aplicações para uma utilização eficaz desses dados [Augusto et al. 97a].

    Muito do trabalho de investigação realizado mais recentemente na área dos SIG tem sido dirigido no sentido de explorar as potencialidades desta forma de utilização da informação geográfica, nomeadamente, numa perspectiva de Intranet. Os sucessos obtidos neste domínio conduziram já ao surgimento de alguns produtos comerciais para desenvolvimento de gestores de informação georreferenciada em arquitecturas Cliente/Servidor [Augusto et al. 97b].

    2.6 Interoperabilidade e o OGC
    Interoperabilidade pode definir-se como uma capacidade do utilizador ou de uma componente do computador para aceder a uma variedade de recursos heterogéneos por meio de um único interface operacional [Aybet 97]. Em particular, para os utilizadores de um determinado produto para suporte de dados georreferenciados, significa a liberdade e capacidade para aceder a ambientes de processamento de dados que podem utilizar diferentes produtos e conter diversos formatos de dados.

    O problema geral da interoperabilidade tem vindo a ser abordado. Particularmente, o Object Management Group (OMG) publicou em finais de 1990 a Object Management Architecture (OMA) [OMG 90], de que apresentou uma revisão em 1992 [OMG 92]. A OMA é uma proposta de norma para construção de objectos que sejam portáveis e possam interagir entre si sobre redes de sistemas heterogéneos. A OMA inclui a especificação do mecanismo de suporte à interacção entre clientes e servidores ¾  o Object Request Broker (ORB) ¾  e uma linguagem genérica ¾  a Interface Definition Language (IDL) ¾  para definição das interfaces dos objectos que comunicam via ORB. O ORB é também frequentemente referido como CORBA (Common Object Request Broker Architecture).

    Este tipo de solução não pode ainda ser utilizado nas aplicações geográficas desenvolvidas sobre os sistemas comerciais para suporte de dados geográficos mais divulgados porque estes não seguem qualquer tipo de norma.

    O reconhecimento desta limitação levou à criação do Open GIS Consortium (OGC), uma organização não lucrativa, dedicada aos sistemas abertos para geoprocessamento, entre cujos membros se contam muitos dos principais fornecedores de informática e diversas Universidades. O OGC tem como objectivos principais o desenvolvimento de especificações para tecnologia de geoprocessamento interoperável e a promoção da oferta de produtos interoperáveis certificados. Baseia-se em padrões emergentes da tecnologia da informação envolvendo sistemas abertos, processamento distribuído e ambientes constituídos por componentes de software.

    Presentemente, a actividade do OGC dirige-se para a criação de um conjunto de normas genericamente denominadas Open Geodata Interoperability Specification (OGIS). A publicação "The OpenGIS Guide, Part I of the OGIS" pelo OGC em 1996 [Buehler e McKee 96] é um primeiro passo neste sentido, propondo normas para transferência de dados espaciais e dos respectivos metadados. O OGIS adopta uma abordagem orientada por objectos para as definições de dados georreferenciados. Assim, a interoperabilidade de objectos espaciais desempenha um papel crucial na realização dos sistemas abertos para suporte destes dados.

    Anexo A — Classificação taxonómica das operações espaciais

    Neste anexo são descritas as operações espaciais incluídas na classificação taxonómica apresentada na subsecção 2.3.1.
    1. Operações de entrada de dados que podem ser de quatro tipos:
      1. Para compilação de dados, isto é, codificação de dados geográficos de uma forma conveniente para o sistema; estas operações incluem a digitalização, scanning, registo de atributos, etiquetagem de objectos, codificação de documentos recolhidos em trabalho de campo, construção de topologias e acertos entre folhas de mapas.
      2. Para georreferenciação de dados, desde a referenciação espacial de conjuntos de dados (por exemplo, provenientes de scanning, digitalização ou detecção remota) até à conversão de coordenadas entre diferentes sistemas de referência espacial.
      3. Para restruturação dos dados, isto é, modificação da estrutura de dados importados de modo a poderem ser suportados pelo sistema; estas operações podem ir da simples reformatação dos dados, passando pela conversão entre variantes de um mesmo tipo de estrutura de dados, até à conversão entre diferentes estruturas de dados (por exemplo, entre raster e vectorial).
      4. Para edição, isto é, para detectar e resolver inconsistências não espaciais, espaciais ou topológicas.
    2. Operações de manipulação dos dados que podem subdividir-se em quatros grupos:
      1. Para selecção, utilizando a lógica booleana e um conjunto de critérios sobre um determinado conjunto de características. As selecções que se baseiam em características espaciais podem ainda classificar-se como sendo de associação espacial (com base nos conceitos de contiguidade e conectividade), de inclusão ou baseado em endereços (muito utilizado nos sistemas de referenciação discreta). As selecções sobre atributos permitem que sejam utilizados critérios sobre os valores de atributos temáticos ou de características temporais.
      2. Para descrição de informação, isto é, cálculo de índices relacionados com as propriedades geométricas dos objectos — por exemplo, sobre a forma (medidas numéricas de convexidade de polígonos, de dimensão fractal, etc.), dimensão (medida de linhas, curvas, perímetros, caminho mais curto, áreas de polígonos planos ou não, volumes) ou ângulo (azimute, orientação e posição).
      3. Para transformação, isto é, modificação do valor das características. Estas podem ainda ser subdivididas em aritméticas e de categoria, para atributos, e geométricas para características espaciais.
        1. As operações aritméticas sobre um mapa temático consistem na aplicação de uma constante (mediante uma operação elementar ou função trigonométrica, logarítmica ou exponencial) para modificação de um atributo.
        2. As operações para definir categorias modificam os valores dos atributos reclassificando-os em novas categorias. Dentro destas podem distinguir-se as operações de classificação, para conversão de atributos quantitativos contínuos em discretos ou nominais (utilizadas, por exemplo, na classificação de dados obtidos por detecção remota), e de reclassificação, para conversão de categorias nominais noutras do mesmo tipo ou de tipo numérico expressando pesos.
        3. As operações geométricas modificam as características espaciais dos objectos e podem ser de três tipos: transformações por projecções (utilizadas sempre, nem que seja implicitamente, pois resultam de se representar a superfície da terra por meio de um plano), transformações lineares (por exemplo, alteração da escala, rotação ou translação) e não-lineares (estas são definidas pelos utilizadores e são por isso as que menos grau de certeza apresentam).
      4. Para derivação de informação espacial, permitindo extrair informações novas por inferência sobre os dados existentes.
        1. As operações de generalização simplificam objectos capturando apenas as suas características espaciais mais salientes. Por exemplo, polígonos podem ser reduzidos a centróides, a esqueletos ou a rectângulos. Existem três categorias de operações de generalização: simplificação de linhas, isto é, redução do número de pontos utilizado na sua definição; atenuação de linhas, para reduzir ângulos mediante recurso a funções de Bezier, splines ou outras; e generalizações complexas que podem incluir mudança do tipo do objecto, agregações de polígonos e detecção e correcção de conflitos entre a localização dos objectos.
        2. As operações de geração de buffers criam novos objectos que incluem outros mediante um critério especificado. Os buffers podem ser quadrados ou curvos e podem incluir pontos, linhas ou polígonos.
        3. As operações de overlay — também designadas operações aritméticas multi-atributo — criam novos objectos por aplicação das várias operações da lógica booleana, da aritmética e da estatística sobre dois mapas temáticos. Nestas operações cada mapa temático é tratado como uma variável.
        4. As operações de derivação sobre superfícies curvas envolvem a extracção de informações tri-dimensionais. Nestas incluem-se as funções de interpolação e de filtro (muito utilizadas no processamento de imagens recolhidas por detecção remota para acentuar ou atenuar as formas). Outros filtros são utilizados para determinar o declive e a orientação de vertentes, localizar redes de drenagem ou identificar regiões de visibilidade.
    3. Operações de saída de resultados, que são as operações que efectivamente permitem que um mapa ou outro tipo de informação seja extraído do SIG para uso prático. Podem ser de vários tipos:
      1. Operações de desenho gráfico para construção de símbolos, uso de cores, padrões e anotações de modo a facilitar a composição de mapas e respectivas legendas.
      2. Operações de visualização para representar a informação geográfica graficamente em periféricos (terminais gráficos, impressoras, etc.).
      3. Operações de restruturação que permitem a exportação de dados para outros sistemas.
      4. Operações para resumir informação sob a forma de índices (descritivos, de inferência estatística, da estatística multi-variada, ou outros) de modo a serem apresentados em relatórios.
    4. Operações típicas das aplicações que utilizam as 3 dimensões do espaço:
      1. Para cálculo de altitudes de pontos, frequentemente recorrendo a funções de interpolação, de declives e de direcções de superfícies.
      2. Para manipulação de imagens — rotação, alteração do ponto de visão e determinação das superfícies visíveis ou iluminadas.
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