Bancos de Dados Geográficos com o PostGIS

PostgreSQL

O PostgreSQL é um sistema gerenciador de banco de dados objeto-relacional, gratuito e de código fonte aberto, desenvolvido a partir do projeto Postgres, iniciado em 1986, na Universidade da Califórnia em Berkeley, sob a liderança do professor Michael Stonebraker.

O código fonte do núcleo do PostgreSQL encontra-se escrito na Linguagem de Programação C.​ Isso garante a ele grande portabilidade, estando disponível para as principais plataformas de hardware e sistemas operacionais, entre eles, Linux, macOS e Microsoft Windows1.​ Esse SGBD fornece inúmeras facilidades, entre elas:

  • Possibilidade de criação de funções ou User-Defined Functions (UDFs) através de diversas linguagens, tais como PL/pgSQL, PL/Perl, PL/Python, PL/Tcl, C, C++, entre outras.

  • Criação de gatilhos (triggers).

  • Vários métodos de indexação, entre eles, B+-tree, Hash, R-Tree, GiST​.

  • Suporte a transação e concorrência​.

  • Criação de chaves estrangeiras (foreign keys)​ ou relacionamentos de integridade referencial.

  • Extensibilidade dos tipos de dados.

  • Busca textual (Full-Text Search ou FTS)​.

  • Replicação.

PostGIS

O PostGIS é uma biblioteca de software livre, sob a licença GNU GPL versão 2 (GPLv2), que fornece ao SGBD PostgreSQL uma extensão geoespacial. Inicialmente, esta extensão foi desenvolvida pela empresa Canadense Refractions Research, para suportar os tipos geométricos e operadores espaciais da OGC Simple Feature (Herring, 2011a e Herring, 2011b), bem como fornecer um mecanismo de indexação baseado nas Árvores-R. No entanto, com a evolução dessa extensão, a implementação passou a adotar o padrão ISO/SQL, relativo a SQL multimedia and application packages - Part 3: Spatial (ISO, 2016). Assim, além dos tipos existentes na OGC-SFS, encontramos os tipos circulares e compostos da ISO/SQL.

Nos últimos anos, a extensão PostGIS passou a integrar diversas outras funcionalidades, como suporte a dados matriciais através do módulo PostGIS Raster, do módulo SFSCGAL para trabalhar com dados em 3D, entre vários outros módulos. A Figura Figura 61 mostra o PostGIS como uma extensão do SGBD PostgreSQL, integrando as bibliotecas GEOS, Proj, GDAL e CGAL. Repare que o servidor PostgreSQL possui todos os elementos para análise sintática das consultas, para definir os planos ou estratégias de execução das consultas, bem como cuidar do gerenciamento dos dados em disco e memória.

Arquitetura PostGIS

Figure 61 - Arquitetura PostGIS.

Neste curso, utilizaremos o PostgreSQL versão 11 e sua extensão geográfica PostGIS 2.5 para exemplificar as funcionalidades presentes em um servidor típico de bancos de dados capaz de suportar o domínio geoespacial.

Esta seção introduz o tipo PostGIS Geometry, isto é, geometrias no Plano Cartesiano​ (Figura 62). Logo, as operações são realizadas em 2D, mesmo quando a geometria possui valores de coordenada \(z\) ou \(m\). Além disso, as operações como área e perímetro são realizadas na unidade do sistema de referência espacial associada à geometria.​

Tipo Geometry

Figure 62 - Tipo Geometry.

Carregando a Extensão PostGIS

1. Para criar um novo banco de dados no PostgreSQL:

CREATE DATABASE worcap TEMPLATE template1;

2. Para carregar a extensão PostGIS no banco de dados criado:

CREATE EXTENSION postgis;

3. Para saber as configurações da sua extensão PostGIS, utilize a função postgis_full_version:

SELECT postgis_full_version();

Importando Camadas para o PostgreSQL/PostGIS

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Neste curso utilizaremos a interface gráfica do QGIS para esta atividade.

Tip

Para transformar um arquivo ESRI Shapefile numa sequência de comandos SQL com instruções para criação de uma tabela com coluna geométrica, inserção de linhas (features) e criação do índice espacial, podemos utilizar o comando shp2pgsql no terminal de comandos do sistema operacional.

shp2pgsql -c -g "geom" -s 4326 -i -I -t "2D" -W UTF-8 focos_2020.shp public.focos_2020 > focos_2020.sql

psql -U postgres -h localhost -p 5432 -d worcap -f focos_2020.sql

1. Importar a camada de ocorrências de fogo na vegetação:

  • No Data Source Manager do QGIS, criar uma conexão com o SGBD PostgreSQL.

  • Após criar a conexão, você deverá conectar ao servidor PostgreSQL.

  • Menu Database - DB Manager....

  • Selecionar o seu servidor de bancos de dados.

  • Selecionar opção Import Layer/File...:

    • Input: focos_2020

    • Schema: public

    • Table: focos_2020

    • Primary Key: id

    • geometry column: geom

    • Source SRID: EPSG:4326

    • Target SRID: EPSG:4674

    • Convert field names to lowercase.

    • Create spatial index.

  • Apos finalizar a importação, a tabela focos_2020 estará disponível para ser adicionada como nova camada.

Note

Veja se o atributo com a data de observação (datahora) foi importado com o tipo correto: TIMESTAMP WITHOUT TIME ZONE. Caso não tenha sido, use o seguinte comando para acertar o tipo da coluna:

ALTER TABLE focos_2020
    ALTER COLUMN datahora
        TYPE TIMESTAMP WITHOUT TIME ZONE
        USING datahora::timestamp without time zone;

Aproveite e crie um índice sobre a coluna com a data de observação:

CREATE INDEX idx_focos_2020_datahora ON focos_2020(datahora);

2. Importar a camada com a malha municipal do ano de referência de 2018:

  • Menu Database - DB Manager....

  • Selecionar o seu servidor de bancos de dados.

  • Selecionar opção Import Layer/File...:

    • Input: municipios_2018

    • Schema: public

    • Table: municipios_2018

    • Primary Key: id

    • geometry column: geom

    • Convert field names to lowercase.

    • Create spatial index.

  • Apos finalizar a importação, a tabela municipios_2018 estará disponível para ser adicionada como nova camada.

Consultas Espaciais

Quantos focos de incêndio na vegetação foram detectados em cada municipios entre os dias 01 de janeiro e 25 de janeiro de 2020?

  SELECT m.id,
         m.nome,
         m.uf_sigla,
         COUNT(*) AS total_focos
    FROM municipios_2018 AS m,
         focos_2020 AS f
   WHERE ST_Intersects(m.geom, f.geom)
GROUP BY m.id,
         m.nome,
         m.uf_sigla
ORDER BY total_focos DESC;

Bancos de Dados Geográficos

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Para saber mais sobre consultas geográficas e operadores espaciais, consulte a página do curso de Bancos de Dados Geográficos.

Referências Bibliográficas

Footnotes

1

Para este curso, preparamos algumas notas explicativas de como instalar o PostgreSQL e sua extensão PostGIS nas plataformas Linux Ubuntu, macOS e Microsoft Windows. Para maiores informações, consulte: Instalando o PostgreSQL e PostGIS.