Tipos de Dados Espaciais¶

Os gerenciadores de bancos de dados geográficos permitem acessar os dados por meio de uma linguagem de consulta e manipulação, como vimos no Capítulo 13. Os usuários finais, porém, normalmente acessam os dados geográficos por aplicações desktop ou serviços web, usando o banco de forma transparente. Neste capítulo, veremos como os SIGs de desktop — QGIS, TerraView, SPRING, ArcGIS, gvSIG — se integram aos SGBDs e quais tipos de dados espaciais os bancos oferecem.

🏛️ Arquitetura dual e arquitetura integrada¶

Há basicamente duas formas de integrar SIGs e SGBDs (FERREIRA et al., 2005):

flowchart LR
    subgraph D["Arquitetura dual"]
        S1["SIG"] --> A1["Arquivos<br/>(componente espacial)"]
        S1 --> B1[("SGBD<br/>(atributos)")]
        A1 <-. "ligação por<br/>identificador" .-> B1
    end
    subgraph I["Arquitetura integrada"]
        S2["SIG"] --> B2[("SGBD com extensão espacial<br/>(geometrias + atributos)")]
    end

A arquitetura dual surgiu porque os primeiros SGBDs só tinham tipos básicos — números, textos, datas. Os SIGs precisavam então guardar a componente espacial dos objetos separadamente, em arquivos próprios, e os atributos no SGBD. Ferreira et al. (2005) apontam as dificuldades dessa arquitetura:

no controle e na manipulação das componentes espaciais;
em manter a integridade entre a componente espacial e a componente alfanumérica;
no processamento conjunto da parte convencional e da parte espacial;
na interoperabilidade, já que cada sistema tem seu próprio formato.

Como solução, os SIGs passaram a usar uma arquitetura integrada, baseada em extensões espaciais desenvolvidas sobre SGBDs objeto-relacionais. Essas extensões incluem tipos de dados, métodos de acesso e operadores específicos. Exemplos: Oracle Spatial, PostGIS (PostgreSQL) e SpatiaLite e GeoPackage (baseados no SQLite). Elas se destacam por (FERREIRA et al., 2005):

fornecer tipos de dados espaciais;
estender a SQL com operações sobre esses tipos;
oferecer métodos de acesso e armazenamento (índices) otimizados para consultas espaciais.

Para garantir a interoperabilidade entre as extensões, o Open Geospatial Consortium (OGC) propôs a especificação Simple Features for SQL (SFSQL), que define as geometrias vetoriais, as operações topológicas e métricas e um esquema de tabelas de metadados — como a que armazena os sistemas de referência espacial (HERRING, 2010).

📐 O modelo de geometrias do OGC¶

Vimos no Capítulo 11 que os geo-objetos são mapeados para estruturas vetoriais e os geo-campos para matrizes. Nesta parte do livro, o enfoque são os dados vetoriais. O modelo usado pelos bancos para representá-los é o modelo de geometrias simples do OGC, organizado em uma hierarquia de tipos:

classDiagram
    Geometry <|-- Point
    Geometry <|-- Curve
    Geometry <|-- Surface
    Geometry <|-- GeometryCollection
    Curve <|-- LineString
    LineString <|-- Line
    LineString <|-- LinearRing
    Surface <|-- Polygon
    Surface <|-- PolyhedralSurface
    PolyhedralSurface <|-- TIN
    Polygon <|-- Triangle
    GeometryCollection <|-- MultiPoint
    GeometryCollection <|-- MultiCurve
    GeometryCollection <|-- MultiSurface
    MultiCurve <|-- MultiLineString
    MultiSurface <|-- MultiPolygon
    Geometry --> SpatialReferenceSystem : referenciada em

Observe que toda geometria está associada a um sistema de referência espacial. Para isso, os bancos usam uma tabela com os códigos EPSG que vimos no Capítulo 1. No PostGIS, essa tabela, chamada spatial_ref_sys, é criada pelo comando que executamos no Capítulo 12:

CREATE EXTENSION postgis;

Ela pode ser consultada como qualquer outra tabela:

SELECT srid, auth_name, auth_srid, srtext
FROM spatial_ref_sys
WHERE srid IN (4326, 4674, 31983);

A tabela spatial_ref_sys no pgAdmin

No PostGIS, o identificador do sistema de referência de uma geometria é o SRID (Spatial Reference Identifier), que, para os sistemas EPSG, coincide com o código EPSG.

📍 As primitivas geométricas¶

Os formatos espaciais e os SIGs atuais suportam, principalmente, três tipos primitivos: ponto, linha e polígono (área). O ponto é o mais básico, a partir do qual os demais são construídos. Até as curvas são aproximadas por linhas com muitos vértices.

Tipos geométricos primitivos

Ao usar um banco geográfico, usamos todos os conceitos vistos para dados convencionais, com a possibilidade de incluir os novos tipos. Por exemplo, uma tabela para os limites da Universidade Federal do Maranhão e de seus edifícios:

CREATE TABLE ufma (
  fid  integer NOT NULL PRIMARY KEY,
  geom geometry(POLYGON, 4326),
  nome varchar(30)
);

O primeiro atributo é o identificador, a chave primária. O segundo é do tipo geometry, especificamente um POLYGON, com SRID 4326 — ou seja, datum WGS 84 e coordenadas geográficas (longitude e latitude, em graus). O banco passa a recusar geometrias de outro tipo nessa coluna:

INSERT INTO ufma VALUES (99, 'POINT(-44.30 -2.55)', 'Um ponto');
-- ERROR: Geometry type (Point) does not match column type (Polygon)

🔤 Os formatos WKT e WKB¶

Para inserir e trocar geometrias, o OGC especificou dois formatos: o WKT (Well-Known Text), textual, e o WKB (Well-Known Binary), binário. Ambos incluem o tipo do objeto e as coordenadas que o formam. No WKT, é o nome do tipo seguido dos pares de coordenadas:

Tipo	WKT
Ponto	`POINT(0 0)`
Linha	`LINESTRING(0 0, 1 1, 1 2)`
Polígono (com um buraco)	`POLYGON((0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0), (1 1, 2 1, 2 2, 1 2, 1 1))`
Multiponto	`MULTIPOINT((0 0), (1 2))`
Multilinha	`MULTILINESTRING((0 0, 1 1, 1 2), (2 3, 3 2, 5 4))`
Multipolígono	`MULTIPOLYGON(((0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0), (1 1, 2 1, 2 2, 1 2, 1 1)), ((-1 -1, -1 -2, -2 -2, -2 -1, -1 -1)))`
Coleção	`GEOMETRYCOLLECTION(POINT(2 3), LINESTRING(2 3, 3 4))`

Polígonos com buracos

No polígono da tabela, o primeiro anel é o limite externo e o segundo, um buraco (anel interno). A área dele é 4 × 4 − 1 × 1 = 15 — confira com SELECT ST_Area('POLYGON((0 0,4 0,4 4,0 4,0 0),(1 1,2 1,2 2,1 2,1 1))'::geometry);. Todo anel deve ser fechado: o último ponto repete o primeiro.

Os formatos WKT e WKB originais suportam apenas geometrias 2D e não incluem o SRID. O PostGIS implementa uma extensão desses formatos, o EWKT e o EWKB (Extended): todo WKT/WKB válido é um EWKT/EWKB válido. O EWKT acrescenta coordenadas 3D e 4D e a especificação do SRID:

EWKT	Significado
`POINT(0 0 0)`	Ponto XYZ (com altitude)
`SRID=32632;POINT(0 0)`	Ponto XY com SRID
`POINTM(0 0 0)`	Ponto XYM (com uma medida, como tempo ou quilometragem)
`POINT(0 0 0 0)`	Ponto XYZM
`TRIANGLE((0 0, 0 9, 9 0, 0 0))`	Triângulo
`TIN(((0 0 0, 0 0 1, 0 1 0, 0 0 0)), ((0 0 0, 0 1 0, 1 1 0, 0 0 0)))`	Rede triangular irregular

No PostGIS, podemos inserir geometrias diretamente em EWKT, especificando o SRID no próprio literal:

INSERT INTO ufma VALUES
(1, 'SRID=4326;POLYGON((-44.3109882 -2.5559354, -44.3151081 -2.5611445,
      -44.3142283 -2.5644456, -44.3111169 -2.5650244,
      -44.307555 -2.5639312, -44.3069541 -2.5583149,
      -44.3031776 -2.5551423, -44.3058813 -2.5504263,
      -44.3109882 -2.5559354))',
 'Contorno');

Após a inserção, o dado pode ser visualizado em um SIG como o QGIS — aqui, sobre uma camada de imagens de satélite:

O contorno da UFMA no QGIS

Consultando uma geometria

Um SELECT geom FROM ufma; retorna a geometria em WKB, em hexadecimal — ilegível para humanos. Use as funções de saída do Capítulo 15, como ST_AsText(geom).

🌐 `geometry` e `geography`¶

O tipo geometry trata as coordenadas como se estivessem em um plano cartesiano. Isso é perfeito para SRCs projetados (em metros), mas traz uma armadilha para coordenadas geográficas: medidas como área e distância são calculadas em graus. O PostGIS oferece também o tipo geography, que faz os cálculos sobre o elipsoide e retorna metros. Compare a área do contorno da UFMA calculada de três formas:

SELECT ST_Area(geom)                         AS em_graus2,
       ST_Area(geom::geography)              AS m2_geography,
       ST_Area(ST_Transform(geom, 31983))    AS m2_utm_23s
FROM ufma
WHERE fid = 1;

em_graus2	m2_geography	m2_utm_23s
0.0000818	1.006.034	1.005.376

O primeiro valor não tem significado prático. Os outros dois mostram que o campus tem cerca de 100 hectares (1 km²): um calculado sobre o elipsoide, outro após projetar os dados para SIRGAS 2000 / UTM 23S (EPSG:31983) com ST_Transform. A pequena diferença entre eles vem da distorção da projeção.

Regra prática

Para medir áreas e distâncias de dados em coordenadas geográficas (SRID 4326 ou 4674), converta para geography ou transforme para um SRC projetado adequado à região. Nunca interprete medidas em graus.

📦 GeoPackage: um banco de dados em um arquivo¶

Como alternativa aos SGBDs servidores — PostgreSQL, Oracle —, existem formatos mais leves, que não exigem a instalação de um servidor. Eles se baseiam no SQLite, um banco de dados completo guardado em um único arquivo. Os mais conhecidos são o SpatiaLite, mais antigo, e o GeoPackage (.gpkg), padrão proposto e mantido pelo OGC. O GeoPackage é suportado pelas versões recentes dos SIGs e é, desde a versão 3 do QGIS, o formato padrão para novas camadas.

Shapefile ou GeoPackage?

Um único arquivo .gpkg pode conter várias camadas vetoriais e matriciais, estilos e metadados, sem os limites do shapefile (2 GB por arquivo, nomes de campo com até 10 caracteres, um único tipo de geometria por arquivo). E, por ser um banco de dados, aceita consultas SQL. Para trocar dados com outras pessoas, prefira o GeoPackage.

No QGIS, uma base GeoPackage é criada pelo menu Camada → Criar Camada → Nova Camada GeoPackage...:

Criando uma camada em uma base GeoPackage

Nesse caso, não é preciso executar explicitamente o CREATE TABLE: a tela já define o nome da tabela, o tipo de geometria, o SRC e os campos. Na lista de campos, só foi adicionado nome, porque a chave primária (fid) e a coluna de geometria são criadas por padrão. Agora podemos inserir a mesma área do exemplo anterior com um INSERT, pelo Gerenciador de Banco de Dados do QGIS (menu Banco de Dados → Gerenciador BD..., janela SQL):

Inserindo um dado em uma base GeoPackage

INSERT INTO ufma VALUES
(4, ST_GeomFromText('POLYGON((-44.3109882 -2.5559354, -44.3151081 -2.5611445,
      -44.3142283 -2.5644456, -44.3111169 -2.5650244,
      -44.307555 -2.5639312, -44.3069541 -2.5583149,
      -44.3031776 -2.5551423, -44.3058813 -2.5504263,
      -44.3109882 -2.5559354))', 4326),
 'Contorno');

Observe que aqui foi necessário usar o WKT padrão com a função ST_GeomFromText, que recebe o código EPSG como segundo argumento. Como o EWKT é uma extensão do PostGIS, e não um formato padrão, só pode ser usado em bases PostGIS. (O ST_GeomFromText funciona igualmente no PostGIS.)

📝 Síntese¶

A arquitetura integrada guarda geometrias e atributos no mesmo SGBD, por meio de extensões espaciais que seguem o Simple Features do OGC.
Toda geometria tem um tipo (ponto, linha, polígono, multi..., coleção) e um SRID; o PostGIS guarda os SRCs na tabela spatial_ref_sys.
Geometrias são escritas em WKT/WKB; o PostGIS aceita também EWKT/EWKB, com SRID e 3D/4D.
O tipo geometry calcula no plano; o geography, no elipsoide.
O GeoPackage é um banco de dados geográfico em um único arquivo, baseado no SQLite.

✏️ Exercícios¶

Explique as duas formas de integrar bancos de dados geográficos e SIGs e as dificuldades da arquitetura dual.
Escreva em WKT: (a) um multiponto com três pontos; (b) um polígono quadrado de lado 10 com um buraco quadrado de lado 2 no centro. Qual a área de (b)?
Crie no banco curso a tabela pontos_interesse(id serial PRIMARY KEY, nome varchar(80), geom geometry(POINT, 4326)) e insira três pontos da sua cidade usando EWKT.
Qual a diferença entre POINT(0 0 0) e POINTM(0 0 0)?
Por que ST_Area aplicada a uma geometria com SRID 4326 retorna um número muito pequeno? Como obter a área em metros quadrados?
Cite três vantagens do GeoPackage em relação ao shapefile.