Discrete Global Grid Systems

Identificadores zonais conforme abstração mais geral do padrão DGGS na versão OGC.
As células de uma grade são especializações dos identificadores.

Os Sistemas de Grades Discretas Globais (do inglês DGGS - Discrete Global Grid Systems) são frameworks computacionais capazes de implementar a Digital Earth (Terra Digital), uma nova abordagem, alternativa aos SIGs tradicionais, centrados no conceito de layer. No DGGS a célula é a unidade de gestão da informação. Um DGGS é composto de um conjunto de grades hierárquicas, cada qual oferecendo células para recuperar a informação em diferentes escalas.

Dois importantes padrões consolidam hoje o conceito de DGGS:

• ISO 19170-1: "Geographic information — Discrete Global Grid Systems Specifications — Part 1: Core Reference System and Operations, and Equal Area Earth Reference System", de 2021, https://www.iso.org/standard/32588.html

• OGC Topic 21: "Discrete Global Grid Systems - Part 1 Core Reference system and Operations and Equal Area Earth Reference System", https://docs.ogc.org/as/20-040r3/20-040r3.html#cell

Ver também:

• DGGS/Proj: Projeções globais poliédricas, candidatas à utilização com DGGS.
• DGGS/Proj/Planos concorrentes: motivação dos poliedros e do eventual "ajuste da DGGS ao relevo nacional"
• DGGS/Terms: glossário oficial (terminologia).
• DGGS/Cell: células e grades.
• DNGS

Aplicação

Conforme sec. B.6 de [OGC2017].

Como cada célula em um DGGS é fixa em um local, e o local fornece uma representação explícita da área, consultas geoespaciais básicas como “Onde está?”, “O que está aqui?” e “Como isso mudou?” são simplificadas em operações de teoria dos conjuntos.
Como quaisquer valores de dados referenciados a um determinado DGGS são, pela natureza da grade, alinhados hierarquicamente, os altos custos de integração de dados em sistemas tradicionais são drasticamente reduzidos.

Um DGGS pode até ser projetado para codificação sem perdas de geometria vetorial, de modo que as células e seu endereçamento inteiro convirjam previsivelmente para os pares de coordenadas de número real de cada observação com cada refinamento sucessivo – uma propriedade essencial de um sistema de coordenadas convencional.

DGGS são projetados para eliminar requisitos para processos complexos de fusão de dados. Reduzir a dependência de um integrador ou analista intermediário é um requisito fundamental para os sistemas de informação digital-Terra participativos distribuídos. “A Terra Digital pode se beneficiar claramente dos desenvolvimentos em grade global discreta, que pode fornecer o georreferenciamento, a indexação e a discretização necessária para conjuntos de dados geoespaciais. Eles têm propriedades, em particular estrutura hierárquica, singularidade, representação explícita de resolução espacial e consistência, que os tornam superiores a qualquer alternativa única”. [9].

Um sistema DGGS fornece um ambiente uniforme para integrar, agregar e visualizar geometrias vetoriais/nuvem de pontos e fontes de dados geoespaciais baseadas em raster da mesma forma que as informações dentro de um pipeline de gráficos de computador se tornam os pixels em uma tela de computador. As eficiências são obtidas através da implementação do conjunto de operações espaciais fundamentais [5-8] do Modelo Dimensionalmente Estendido de nove Interseções (DE-9IM) diretamente na estrutura da célula DGGS. Isso permite que algoritmos algébricos de ordem superior (através de ligações a bibliotecas analíticas externas) sejam criados na própria estrutura DGGS, independentemente das fontes de dados.

Não é navegação

A grade geodésica tradicional da navegação não é uma grade DGGS.

A grade tradicional de latitude-longitude, utilizada desde os tempos das caravelas para estabelecer direções e localização de pontos, não é uma grade DGGS nem sua aplicação deve ser confundida entre as aplicações de uma grade DGGS.

Quando interpretamos a grade como um conjunto de "pontos de localização", cada célula DGGS representa uma "zona de incerteza" em torno do ponto. Ao contrário da grade cartesiana tradicional (mesmo que discreta) onde os pontos são exatos e determinado pelo cruzamento das linhas da grade — não pelo centro das células. Cada ponto da grade DGGS portanto representa duas grandezas, a localização e a incerteza.

PS: revisar, pois um ponto qualquer do quadrado tem 100% de chance de estar no quadrado de lado L. O que diminui é a chance de estar na região central de diâmetro d, conforme d decresce de 1.2*L para zero. A curva de decréscimo é uma parábola. A(0<d<L*1.12838) = 0.25*pi()*d^2 / L^2. Quando d=1.128L temos a equiparação entre áreas do circulo de diâmetro d e o quadrado de lado L. Ilustrar circulos de 10% e de 75%, sendo o seu exterior 100%. O circulo 75% representa a região de incerteza ao se tomar 75% dos pontos como se fossem centrais. O raio do círculo é a métrica usual de incerteza. O diâmetro do circulo de área de 75%, para ilustrar, é de 98%L, R = L*SQRT(0.75/pi()).

Operações típicas de consulta

Criar DGGS/Operações conforme https://link.springer.com/article/10.1007/s41651-020-00066-3

As informações são levadas às células da grade na forma de atributos, por exemplo presença/ausência de rochas, rebanhos, casas, etc.

As consultas são então realizadas por célula: o que tem nesta célula? Em quais células temos casas? Em quais células temos árvores?

Como se tratam de grades hierárquicas, podemos imaginar um nível mais grosseiro, que agrupa 16 a 16 células, então ao invés de indicar exatamente a localização dos atributos, indicará a contagem desses atributos dentro dessa célula maior.

Operações típicas de conversão

Conversão de dados raster, tais como imagens de satélite ou mapas de calor, podem ser convertidos para uma grade de maior resolução. Abaixo o fluxograma típico, onde a imagem é amostrada pelos pontos centrais das células. Esse tipo de dado, amostrado ao longo de todo o espaço ou toda uma grande área submetida à medição, é em geral denominado "geo-campo".

Conversão de dados vector, tais como polígonos delimitadores de lotes urbanos ou de lagoas. Abaixo o fluxograma típico, onde o polígono original é amostrada pelos pontos centrais das células. Esse tipo de dado, descrevendo os limites individuais (do lote ou lagoa) é em geral denominado "geo-objeto".

Num passo seguinte a cobertura do polígono poderia ainda ser otimizada. Abaixo um exemplo de como coberturas são otimizadas, fazendo uso de células de diversos níveis simultaneamente, para expressar o polígono através de menos células de cobertura.

Histórico

O conceito de Discrete Global Grid System foi estabelecido ao longo de uma década por universidades e empresas. Tornou-se padrão OGC em 2017, e padrão ISO em 2021.

Ver padrões:

• OGC de 2017, http://docs.ogc.org/as/15-104r5/15-104r5.html
• ISO de 2021, https://www.iso.org/standard/32588.html
• OGC de 2021, https://docs.ogc.org/as/20-040r3/20-040r3.html#cell

Outras normas ISO relevantes: https://www.iso.org/standard/70742.html e outros OGC, https://docs.ogc.org/as/20-040r3/20-040r3.html.

Quanto a ISO 19170-1, pode-se observar que:

• Descreve “o que fazer”, mas não define qual a grade global padrão.
• É também um guia de API, algoritmos, funções, terminologia, boas práticas, etc. o que permite unificar aplicações e somar esforços em contratos e em iniciativas de domínio público.
• Garante a interoperabilidade entre aplicações DGGS de mesma grade, tornando aplicações menos “dependentes do fornecedor”

Na União Europeia o conceito de DGGS ainda não foi transformado em diretiva, mas há convergência, a maior parte das suas diretivas de infraestrutura de dados espaciais, INSPIRE, vai de encontro com a proposta DGGS (ver vídeo).

Revoluções tecnológicas do DGGS

A padronização DGGS viabilizou o antigo desejo da Digital Earth nos seguintes pontos:

• Estabeleceu com mais precisão as técnicas e algoritmos de indexação espacial e organização da informação geográfica num sistema hierárquico de grades.
• É um guia de API, algoritmos, funções, terminologia, boas práticas, etc. o que permite unificar aplicações e somar esforços em iniciativas de domínio público.
• Garante a interoperabilidade entre aplicações DGGS, tornando diversas aplicações menos “dependentes do fornecedor”.

Avaliação no contexto OSMcodes

Ver:

• osmc:DGGS: estudos no escopo OSMcodes para avaliar a usabilidade de DGGS no lugar de um mosaico de grades nacionais.
• DGGS/Proj#Problema_inerente_das_projeções_DGGS
• ...

Exeperimentos DGGS da OSMC

... ver ISEA e DGGS/Proj/rHEALPix com Colômbia.

Limitações

Existem limites para viabilização do DGGS em larga global, que seria, por sua vez, obstáculo para viabilização da Digital Earth:

• A ISO descreve “o que fazer”, mas não define qual a grade global padrão.
• Não limitou o registro de patentes e copyright das soluções DGGS. Continuam a restringir a adoção internacional, através de softwares e bancos de dados de domínio. Apenas países ricos e grandes empresas terão acesso.
• Países pobres continuaram sendo colonizados, pagando royalties e limitando o uso dos seus dados.
• O padrão DGGS é muito complexo, requer abertura de dados e maturidade digital, coisa que pouquíssimos países possuem. 

Objetivos inviáveis do DGGS:

• O DGGS teria vantagem de ser Global caso fosse um padrão internacionalmente aceito: na ausência de uma grade padrão, o inverso ocorre, o fato de ser global é uma desvantagem.
• Possui dificuldade em viabilizar acesso: deveria ser justo e barato para o mundo todo, porém apenas empresas e países detentores de copyright e patentes terão acesso, os demais serão colonizados, a exemplo do que vem ocorrendo com o Google Plus Codes.
• Países em desenvolvimento não possuem “maturidade digital” para tomar opinar ou tomar decisões em torno do "DGGS universal".

Ver também

• DNGS
• Conceito http://www.wikidata.org/entity/Q117479905