Bancos de Dados Espaciais

Um banco de dados espacial é um sistema que permite armazenar e consultar dados que representam objetos definidos em um espaço geométrico, tais como localizações, formas e contornos geográficos.

Os bancos de dados espaciais são essenciais em várias aplicações que envolvem dados geoespaciais, como sistemas de informações geográficas (GIS), planejamento urbano, navegação por GPS, e gestão de recursos naturais.

Os três aspectos que diferenciam os bancos de dados espaciais em relação à flexibilidade, desempenho e análise são:

  • Tipos de dados espaciais: A maioria suporta dados vetoriais simples (pontos, linhas, polígonos) e símbolos. Entretanto, alguns oferecem suporte a elementos mais complexos, como imagens e cenas 3D. Muitos aderem aos padrões estabelecidos pelo Open Geospatial Consortium (OGC).

  • Indexação espacial: Os índices espaciais variam entre os bancos de dados e são cruciais para o desempenho. São multidimensionais, utilizados para o processamento eficiente de operações espaciais.

  • Funções espaciais: Em SQL, essas funções são usadas para consultar propriedades e relacionamentos espaciais.

Bancos de dados espaciais podem ser utilizados em aplicações que vão além do âmbito geográfico, como na anatomia do corpo humano, em circuitos integrados de grande escala, em estruturas moleculares, campos eletromagnéticos, entre outros.

Características de Bancos de Dados Espaciais

Enquanto um banco de dados tradicional dispõe de tipos de dados para armazenar números, conjunto de caracteres (strings) e datas, um banco de dados espacial implementa tipos de dados para representar características geográficas, abstraindo e encapsulando estruturas espaciais como limites e dimensões. Esses tipos são organizados em uma hierarquia, com cada subtipo herdando a estrutura e o comportamento de seu supertipo.

Hierarquia da geometria - dados espaciais

Outra diferença está no acesso rápido e aleatório a um subconjunto de dados. Em bancos de dados tradicionais essa necessidade geralmente é atendida através de índices B-Tree. Já bancos de dados espaciais usam "índices espaciais" para responder a perguntas como: "quais objetos estão dentro desta caixa delimitadora específica?". Implementações comuns incluem R-Tree e Quadtree, além de índices baseados em grade e índices GeoHash.

Caixas delimitadoras - dados espaciais

Bancos de dados espaciais disponibilizam um conjunto de funções para análise de componentes geométricos, determinação de relações espaciais e manipulação de geometrias, incluindo conversão, gestão, recuperação, comparação e geração de novas geometrias.

Modelo de armazenamento de dados espaciais SFS

Sistemas de Referência Espacial

Um Sistema de Referência Espacial é um conjunto de coordenadas utilizado para descrever a posição e orientação de objetos no espaço. Ele fornece um quadro de referência para localizar pontos, determinar direções e medir distâncias no espaço tridimensional. Existem diferentes tipos de sistemas de referência espacial, como sistemas cartesianos, sistemas esféricos e sistemas celestes, cada um com suas próprias coordenadas e métodos de medição.

Sistemas de Informações Geográficas (SIG) e bancos de dados espaciais utilizam-se de Identificadores do Sistema de Referência Espacial (SRID) para garantir que os dados geográficos sejam interpretados corretamente em relação ao sistema de coordenadas apropriado. O SRID é um código numérico que identifica um sistema de referência espacial específico. Cada sistema de referência espacial, como WGS84 (World Geodetic System 1984) ou UTM (Universal Transverse Mercator), possui um SRID único atribuído a ele.

O SRID permite que os sistemas de software entendam e interpretem corretamente os dados espaciais, garantindo a precisão e consistência nas análises e visualizações geoespaciais.

Arquitetura dos Sistemas de Informações Geoespaciais

A arquitetura dos Sistemas de Informações Geoespaciais evoluiu de dados armazenados em arquivos simples para uma integração completa com bancos de dados objeto-relacional. Esta evolução resultou em sistemas mais seguros, rápidos e eficientes para o trabalho com geoinformação.

Evolução na Arquitetura dos sistemas de informações geoespaciais

PostGIS

PostGIS é uma extensão espacial gratuita e de código aberto para o PostgreSQL, que estende sua capacidade dando suporte ao armazenamento, indexação e consulta de dados espaciais. Transforma o PostgreSQL em um banco de dados espacial, permitindo o uso e armazenamento de objetos GIS (Sistemas de Informação Geográfica), incluindo suporte para índices espaciais GiST e R-TREE, além de funções para análises básicas e processamento de objetos GIS.

PostGIS segue os padrões da OGC - Open Geospatial Consortium e é amplamente utilizado, viabilizando cálculos de distância entre posições de GPS, entre outras funções.

PostGIS - Tipo de Suporte

Desde sua primeira versão em maio de 2001, o PostGIS evoluiu significativamente, adicionando suporte para análise de dados, integração com aplicativos externos como Mapserver e GEOS, e aderência às especificações "Simple Features for SQL" da OGC.

Diversas organizações e softwares utilizam o PostGIS. Abaixo citamos alguns exemplos:

Alguns softwares que suportam PostGIS

Recursos do PostGIS

O PostGIS amplia os recursos do sistema de gerenciamento de banco de dados PostgreSQL, adicionando suporte para armazenamento, indexação e consulta de dados geoespaciais:

  • Armazenamento de Dados Espaciais: Permite armazenar diferentes tipos de dados espaciais, como pontos, linhas, polígonos e multigeometrias, tanto em 2D quanto em 3D;

  • Indexação Espacial: Facilita a pesquisa e recuperação rápida de dados espaciais com base em sua localização, usando índices espaciais eficientes;

  • Funções Espaciais: Oferece uma ampla gama de funções para análise espacial, permitindo filtrar, analisar e realizar operações geométricas com os dados espaciais;

  • Processamento de Geometrias: Inclui ferramentas para processamento e manipulação de geometrias, como simplificação, conversão e generalização de dados espaciais;

  • Suporte à Dados Raster: Permite o armazenamento e processamento de imagens raster e dados de grade, como mapas de elevação e imagens de satélite;

  • Geocodificação e Geocodificação Reversa: Fornece funções para converter endereços em coordenadas geográficas e vice-versa; e

  • Integração: Pode ser integrado com uma variedade de ferramentas e sistemas de terceiros, como QGIS, GeoServer, MapServer, ArcGIS e Tableau, para análise e visualização de dados espaciais.

PostGIS é uma ferramenta poderosa e flexível para o gerenciamento de dados espaciais em um ambiente de banco de dados relacional, oferecendo suporte abrangente para uma ampla gama de aplicações geoespaciais.