osmc:Metodologia
 Documentação integrante do projeto AFA.codes |
| Países: BR, CO, EC, UY. |
| Afa vs Plus, DNGS, ... |
Descrição da metodologia e algoritmos do sistema AFA.codes. Segue em parte um padrão, em parte as decisões soberanas do país.
O sistema AFAcodes implementou a metodologia sugerida pelo padrão DNGS, portanto muito parecida com a do padrão ISO DGGS, ambas iniciam por uma grade grosseira, particionando uma superfície com grandes células de igual-área.
A diferença da metodologia DNGS para a DGGS é que a superfície DNGS é um território nacional, ao invés do globo inteiro. O padrão DNGS é também mais restritivo, impõe projeção válida (oficial nacional), geocódigos válidos, tamanhos e formatos de célula válidos (quadriláteros em potências de 2) e um limite ao número de células iniciais (até 16).
Projeção e cobertura nacionais
Começa-se com o mapa dos limites territoriais na projeção igual-área adotada oficialmente pelo país, designada projeção igual-área nacional. Os limites podem abranger a Zona econômica exclusiva e arquipélagos, conforme decisão soberana do país.
Conforme a convenção IEC de prefixos binários, múltiplos de 1024 metros são abreviados como Kim (kilobinary meter).
Sobre o polígono dos limites territoriais é encaixada uma grade de potência de 2 (tabela ao lado), onde será desenhado um mosaico de no máximo 16 quadrados. O encaixe é obtido por um algoritmo de varredura, testa-se com grades maiores e menores, sobre a BBOX dos polígonos territoriais.
No caso da Colômbia o melhor encaixa foi conseguido com quadrados de 219 m de lado, ou seja, 219 m =524,29 km = 512×1024 m = 512 Kim.
Abaixo, em roxo, com ij as coordenadas i horizontal e j vertical, o conjunto dos quadrados que cobrem o território, apelidado de "cobertura nacional".
Escolha oficial da origem
Conforme previsto na metodologia DNGS para escolha das coordenadas de referência, um ajuste fino da posição da cobertura nacional é necessário para se estabelecer em definitivo o sistema de coordenadas e, consequentemente, os identificadores de célula.
Apesar de ser uma escolha objetiva, baseada no simples encaixe nos limites oficiais, a escolha desses limites requer decisões suberanas, tais como escolha do buffer de segurança, e decisões sobre uso ou não da zona econômica.
No caso da colômbia a origem é o ponto XY (3678500,1494288) na projeção de SRID=9377.
PS: as outras alternativas (ex. sem parte insular nem zona econômica), descartadas, foram documentadas.
Indexação L0
Em seguida os 16 quadrados recebem indexadores (rótulos) sequenciais no lugar de coordenadas ij.
A sequência de indexação é arbitrária, poderia ser de cima para baixo da esquerda para a direita. Todavia, a formação da grade, conforme veremos a seguir, exige a escolha de uma curva de preenchimento (Curva-Z no caso foi a escolha soberana da Colômbia).
Os cálculos de vizinhança na curva de preenchimento são complexos, quanto maior a quantidade de células L0 que preservarem a distribuição de vizinhança original, mais simples o algoritmo de cálculo de vizinhança. Simplificar ou não o algoritmo (otimizar) é também uma decisão soberana.
Na Colômbia a decisão foi por otimizar, ou seja, seguir-se, dentro do possível, a curva de preenchimento em L0. Na ilustração ao lado a cobertura continental em amarelo, e os índices fora de ordem em roxo. O indexador, para sua representação humana, usando a representação hexadecimal (base 16), que vai de "0" a "9" e "a" a "f".
A partir de então, conforme veremos, é adotado como oficial (notação científica para o Censo e outras aplicações) o rótulo hexadecimal de células da grade oficial, tendo como primeiro dígito os rótulos do mapa acima, do nível L0.
Formação da grade científica nacional
A partir dos quadrados da cobertura nacional será formada a grade, de modo que são apelidados de "células da grade nivel zero" (abreviadamente "células L0"). As células são todas iguais, com mesma área e formato.
Em seguida cada célula L0 é subdividia sucessivamente em 4:
Tomando como exemplo a Colômbia temos:
- A primeira subdivisão das células L0 resulta em células da grade nível L1, cada uma das 4 células com lado h1 = h0/2 ≈ 256 km.
- Em seguida a subdivisão das 4 células L1 resulta em células da grade nível L2, cada uma das 4 células com lado h2 = h1/2 = h0/4 ≈ 128 km. A cada célula L0 correspondem portanto 4×4=16 células L2.
- Em seguida a subdivisão das 16 células L2 resulta em células da grade nível L3...
- ... Até chegar nas células da grade nível L19, com 1 m de lado.
A grade nacional L0 tem 16 células ao todo cobrindo o território nacional, de modo que são ao todo 16×4=64 células L1, 16×16=256 células L2, e assim por diante, até que no nível L19 as células possuirão 1 metro de lado, e serão bilhões de células cobrindo o território nacional.
O indexador desse conjunto hierárquico de grades não é um número mas um código natural, de modo que a rotulação numérica hexadecimal tradicional foi extendida para que todos os códigos possam ser devidamente representados, além dos níveis pares:
Há ainda a possibilidade de criar "grades degeneradas", geometricamente unindo células vizinhas da sequência de indexação. Essa união de vizinhas resulta em grades retangulares ao invés de quadradas, e seu nível hierárquico é contabilizado como "nível meio" (L½, L1½, L2½, ...).
O efeito prático disso é o mesmo que subdividir em 2 sucessivamente, de modo que todos os códigos binários com 1 a 19×2=38 dígitos binários (bits) podem ser representados por células em 38 grades distintas, formando um sistema hierárquico de grades. Grades L0, L½, L1, L1½, L2, L2½, ..., L18½, L19.
As células dessas grades serão sempre identificadas por um código expresso na "notação científica", a base16h (que é a hexadecimal extendida para toda a hierarquia).
Geocódigo logístico
Um subconjunto da grades científicas é utilizado nas aplicações logísticas, tendo em vista que o geocódigo hexadecimal é muito longo para o ser humano memorizar.
Para o geocódigo logístico, é necessário ter um código mais fácil de recordar, composto de:
- um prefixo, muito fácil de lembrar porque é o próprio município descrito em formato abreviado. Por exemplo
CO-Tunjana Colômbia ouBR-SP-SJC(São Jose dos Campos) no Brasil;
- um sufixo de 4 a 6 caracteres representando células da grade, para se localizar a porta de casa. Em países maiores o sufixo pode (conforme decisão soberana) ser expresso na Base32.
Por exemplo "GGQT" sufixo deCO-Tunja~GGQTno meio urbano de Tunja; "2YNHP" sufixo deBR-SP-SJC~2YNHPno meio rural de São José.- o primeiro dígito desse sufixo de grade é, a rigor, ainda parte do nome. O dígito surge com a detecção do território municipal. Por exemplo
CO-Tunja~G, conforme veremos, tem o primeiro dígito "G" definido junto com o nome.
- o primeiro dígito desse sufixo de grade é, a rigor, ainda parte do nome. O dígito surge com a detecção do território municipal. Por exemplo
Para chegar no código logístico, o prefixo BR-SP-SJC aponta para a cobertura do município, que consiste num conjunto indexado de até 30 células que cobrem o município, sendo que cada uma é associada a um índice, escolhido num alfabeto de 32 caracteres, descrito nas variantes da Base32.
Cobertura-base de Tunja, composta de 11 células, já rotuladas pelo indexador base32.
Coberturas base e overlay sobre Tunja (CO-15001).
Coberturas base e overlay com respectivos rótulos.
Detalhe da grade de Tunja com geocódigo logístico de 2 dígitos na área rural e 1 dígito na urbana, onde foram definidas células de overlay (contorno azul).
Estas 30 células cobrem o município de maneira otimizada. São as células da cobertura do município. Só definimos até 30 células para ter 2 de reserva, caso tenha alguma mudança futura no polígono do município.
O digito correspondente a cada célula de cobertura municipal vai ser o primeiro digito do sufixo do código logístico.
Podemos imaginar que cada uma das células da cobertura é dividida em 32, sucessivamente, até chegar a um nível de 1 m. Cada vez que a célula é dividida em 32, o sufixo do código é acrescido de um digito. Na prática, a grade da base32 reusa um subconjunto da grade científica (base2).
No momento de definir a cobertura do município, é possível privilegiar a cobertura da área urbana para garantir que o código seja mais curto nestas áreas, ou que a zona apontada seja menor com o mesmo número de caracteres. Podemos considerar como padrão ter sufixos de 6 dígitos, sendo que na área urbana, estes 6 dígitos apontam para células de 6m e na área rural, apontam para áreas de 32m.
As coberturas todas, de todos os municípios, não é uma caixa preta como a definição dos bairros. O padrão DNGS exige que as coberturas municipais sejam dados abertos. No caso dos AFAcodes da Colômbia, que implementam DNGS, os dados das coberturas municipais estão em https://git.afa.codes/CO_new/blob/main/data/coverage.csv
Seletor de jurisdição
A metodologia descrita foi inicialmente adotada para o Brasil, mas em seguida outros países solicitaram adotar ou testar o padrão DNGS. Uma metodologia de seleção foi implantada, para se distinguir e selecionar a grade nacional correta a cada ponto do globo — e seu complemento, a ausência de grade DNGS no restante do globo.
Ela é descrita no padrão DNGS como algoritmo seletor de jurisdição, e adotada apenas nos "raros casos de validação ou onde o usuário ou a interface não sabem em que país estão".
O algoritmo decide, para um ponto Latitude-Longitude, qual jurisdição nacional usar. Ao lado foi ilustrada a decomposição do "globo DNGS" quando analisando apenas Brasil e Colômbia. A verificação de BBOX tem alta performance. O algoritmo consumirá um pouco mais de CPU apenas quando for BBOX de fronteira, onde vai disparar a verificação do polígono local de fronteira.