Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
1 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ В. І. Зацерковний, В. Г. Бурачек, О. О. Железняк, А. О. Терещенко ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ І БАЗИ ДАНИХ Монографія Ніжин 2014 2 УДК 681.518.3:528 ББК 32.973.202(26.12) З-38 Рекомендовано до друку Вченою радою Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету (протокол № 4 від 26.11.2014 р.) Рецензенти: Чурюмов К. І. – професор, член-кореспондент Національної академії наук України, головний спеціаліст Астрономічної обсерваторії Київського університету, доктор фізико-математичних наук; Шмаров В. М. – професор Національного авіаційного університету, доктор технічних наук; Зазуляк П. М. – професор Національного університету "Львівська політехніка", доктор фізико-математичних наук Геоінформаційні системи і бази даних : монографія / В. І. Зацерковний, В. Г. Бурачек, О. О. Железняк, А. О. Терещенко. – Ніжин : НДУ ім. М. Го- голя , 2014. – 492 с. ISBN 978-617-527-121-6 У монографії визначена та сформульована сутність геоінформації, геоінфор- маційних технологій (ГІТ), понятійний апарат геоінформаційних систем (ГІС) і їх функціональні можливості. Розглянуті питання введення даних і їх цифрування. Висвітлені питання створення та збереження електронних карт за допомогою ГІТ. Представлені концептуальні основи ГІС, мета та принципи побудови ГІС, розглянуті сучасні технології обробки геопросторової інформації, моделі, що лежать у їх основі, сучасні напрями застосування ГІС і перспективи розвитку. Викладені моделі й алгоритми, що лежать в основі ГІС. Розглянуті програмні засоби реалізації, інтеграції даних і технологій. Монографія містить графічні ілюстрації, що пояснюють роботу ГІС. Книга може бути корисною для науковців, керівників державних установ, викладачів вищої школи, аспірантів і студентів. УДК 681.518.3:528 ББК 32.973.202(26.12) © В. І. Зацерковний, В. Г. Бурачек, О. О. Железняк, А. О. Терещенко, 2014 ISBN 978-617-527-121-6 © НДУ ім. М. Гоголя , 2014 З-38 3 ЗМІСТ Вступ ......................................................................................................... 9 І. Загальні поняття про інформаційні та геоінформаційні системи .................................................................. 17 1.1. Загальні поняття про інформацію ..................................................... 17 1.2. Інформаційні системи, їх класифікація та складові ......................... 23 1.3. Компоненти інформаційних систем .................................................. 30 1.4. Поняття про геоінформатику та географічні інформаційні системи ....................................................... 32 1.5. Поняття про геодані ........................................................................... 35 1.6. Задачі геоінформатики ....................................................................... 38 1.7. Визначення ГІС .................................................................................. 38 1.8. Галузі застосування ГІС ..................................................................... 44 1.9. Компоненти ГІС ................................................................................. 47 1.10. Відмінність ГІС від інших інформаційних систем ......................... 51 1.11. Джерела виникнення ГІС ................................................................. 59 1.11.1. Системи автоматизованого проектування ........................... 59 1.11.2. Автоматизовані картографічні системи та системи настільного картографування ......................................... 61 1.11.3. Системи керування мережами ............................................... 62 1.11.4. Системи керування базами даних ......................................... 64 1.12. Інтеграція ГІС з іншими науками про Землю ................................. 64 ІІ. Історія розвитку ГІС .......................................................................... 68 2.1. Передумови розвитку ГІС .................................................................. 68 2.2. Етапи розвитку ГІС ............................................................................ 71 2.3. Історія розвитку відкритих ГІС ......................................................... 105 2.4. Розвиток ГІС в Україні ....................................................................... 105 2.5. Перспективи розвитку ГІС на найближчі роки ................................ 109 ІІІ. Структура, функції та технології ГІС ........................................... 119 3.1. Загальні визначення ........................................................................... 119 3.2. Структура ГІС ..................................................................................... 122 3.2.1. Підсистема введення, підготовки та попередньої обробки інформації ................................................... 123 3.2.2. Підсистема збереження, оновлення й керування базами даних ........................................................................ 128 3.2.3. Підсистема обробки інформації, моделювання й аналізу даних ............................................................ 131 3.2.4. Підсистема контролю, візуалізації та виведення інформації ........................................................................... 132 3.3. Функції ГІС ......................................................................................... 134 3.4. Геоінформаційні технології (ГІТ) ...................................................... 137 3.5. Загальні вимоги до документування в ГІС ....................................... 143 3.6. Класифікація ГІС ................................................................................ 145 4 IV. Подання об’єктів реального світу в ГІС ........................................ 155 4.1. Визначення поняття геопростору ...................................................... 155 4.2. Визначення поняття просторового об’єкта та його опис у ГІС ....... 156 4.3. Визначення поняття просторових відношень у ГІС ......................... 164 4.4. Класифікація властивостей геоінформації ........................................ 165 4.5. Класифікація компонентів геопростору ............................................ 166 4.5.1. Дискретні явища ......................................................................... 168 4.5.2. Геометричні об’єкти високого рівня ......................................... 174 4.5.3. Безперервні явища ...................................................................... 181 4.5.4. Узагальнені за площею об’єкти ................................................. 183 V. Інформаційне забезпечення ГІС ...................................................... 186 5.1. Джерела даних для ГІС ...................................................................... 186 5.2. Картографічні джерела ....................................................................... 189 5.2.1. Класифікація картографічних джерел .................................... 192 5.2.2. Типи картографічної інформації ............................................. 201 5.2.3. Координатна та висотна системи картографічних джерел ..................................................................... 202 5.2.4. Алгоритм застосування картографічних знань ...................... 205 5.3. Дані дистанційних досліджень .......................................................... 206 5.4. Дані польових вишукувань (геодезичні й топографічні дані) ......... 218 5.5. Дані кадастрів ..................................................................................... 220 5.6. Статистичні джерела даних ............................................................... 223 5.7. Internet як джерело даних для ГІС ..................................................... 224 5.8. Створення Internet-джерела даних ..................................................... 226 5.9. Текстові матеріали як джерело даних для ГІС ................................. 228 VI. Загальні відомості про моделі даних у ГІС ................................... 229 6.1. Класифікація моделей даних у ГІС ................................................... 229 6.2. Організація та обробка інформації в ГІС .......................................... 232 VIІ. Растрові моделі подання просторових даних .............................. 234 7.1. Принципи побудови растрових моделей ........................................... 234 7.2. Растрові моделі на основі регулярних мереж ................................... 238 7.3. Растрові моделі даних на основі нерегулярних мереж ..................... 241 7.3.1. Полігони Тиссена ...................................................................... 241 7.3.2. Діаграми Г. Вороного ............................................................... 242 7.3.3. Трикутні сітки неправильної форми ........................................ 243 7.4. Ієрархічні моделі ................................................................................ 244 7.5. Безструктурні гіперграфові моделі .................................................... 248 7.6. Решітчасті моделі ............................................................................... 249 7.7. Джерела даних для растрових моделей ............................................. 249 7.8. Характеристики растрових моделей.................................................. 249 7.8.1. Розрізненість ............................................................................. 249 7.8.2. Орієнтація растрових моделей ................................................. 251 5 7.8.3. Кодування комірок растрової моделі ...................................... 251 7.8.4. Растрове подання контурів територіальних одиниць ............. 253 7.8.5. Місце розташування елементів растрових моделей ............... 254 7.8.6. Геометрія растрів ...................................................................... 254 7.8.7. Визначення координат комірок ............................................... 254 7.8.8. Визначення екстенту регіону ................................................... 256 7.8.9. Визначення топології комірок растрів..................................... 257 7.9. Використання растрів для зображення дискретних об’єктів ......... 258 7.10. Використання растрів для зображення безперервних поверхонь .................................................................. 260 7.11. Збереження растрових даних ........................................................... 261 7.12. Перспективи застосування растрових моделей .............................. 263 7.13. Недоліки та переваги растрових моделей ....................................... 264 VIIІ. Векторні моделі подання даних у ГІС ......................................... 266 8.1. Загальні відомості про векторні моделі ............................................ 266 8.2. Класифікація просторових даних, що використовуються у векторних ГІС ............................................ 269 8.2.1. Безрозмірні об’єкти .................................................................. 269 8.2.2. Одновимірні об’єкти ................................................................ 270 8.2.3. Двовимірні об’єкти ................................................................... 271 8.2.4. Тривимірні об’єкти ................................................................... 271 8.3. Подання просторових об’єктів у векторній моделі .......................... 272 8.4. Нетопологічні (прості) векторні моделі ............................................ 276 8.4.1. Модель "Спагеті" ...................................................................... 276 8.4.2. Шейп-файли .............................................................................. 277 8.4.3. Точкова полігональна структура ............................................. 279 8.4.4. Лінійна полігональна структура .............................................. 280 8.5. Необхідність уведення топологічних відношень у ГІС.................... 281 8.6. Поняття про топологічні відношення в ГІС ...................................... 282 8.7. Характеристики топологічних моделей ............................................ 284 8.8. Топологічні моделі сучасних ГІС ...................................................... 287 8.8.1. Опис топологічної інформації.................................................. 287 8.8.2. Топологічні подання полігонів ................................................ 294 8.8.3. Топологічне подання зв’язності ............................................... 296 8.8.4. Векторно-топологічна (лінійно-вузлова) модель .................... 297 8.8.5. DIME-структура ........................................................................ 300 8.8.6. Структура "дуга-вузол" ............................................................ 301 8.8.7. Геореляційна структура ............................................................ 303 8.8.8. TIN-модель ................................................................................ 307 8.9. Топологія в TIN-моделі .................................................................... 309 8.10. Етапи створення TIN-моделі ............................................................ 310 8.11. Засоби TIN для відображення поверхні .......................................... 312 8.12. Ланцюгове кодування ...................................................................... 313 8.13. Вибір способу формалізації та перетворення структур даних ....... 315 6 8.14. Порівняння векторних і растрових моделей подання просторових даних ........................................................................... 316 8.15. Аналіз подання геооб’єктів векторними моделями ........................ 320 IХ. Загальні відомості про системи керування базами даних .......... 321 9.1. Передумови виникнення концепції баз даних .................................. 321 9.1.1. Файлова організація масивів даних ......................................... 323 9.1.2. Необхідність розробки СКБД .................................................. 325 9.1.3. Бази і банки даних як засіб збереження даних ........................ 326 9.2. Етапи розвитку систем керування базами даних .............................. 328 9.3. Структурні елементи бази даних ....................................................... 335 9.4. Функції СКБД ..................................................................................... 341 Х. Принципи побудови баз даних, їх архітектура і класифікація .......................................................................................... 343 10.1. Принципи побудови баз даних ........................................................ 343 10.2. Трирівнева архітектура баз даних ................................................... 346 10.3. Забезпечення незалежності СКБД від даних .................................. 351 10.4. Відображення рівнів моделей .......................................................... 351 10.5. Організація процесу проходження користувацького запиту ................................................................... 352 10.6. Користувачі СКБД ............................................................................ 353 10.7. Класифікація СКБД і моделей баз даних ........................................ 358 ХІ. Моделі баз даних................................................................................ 367 11.1. Класифікація моделей баз даних за рівнями подання .................... 367 11.2. Інфологічні моделі ............................................................................ 369 11.3. Даталогічні моделі ............................................................................ 377 11.4. Фізичні моделі .................................................................................. 386 XІІ. Реляційні моделі та нормалізація відношень у них .................... 388 12.1. Загальні відомості про реляційні моделі баз даних ........................ 388 12.2. Ключі ................................................................................................. 394 12.3. Зв’язування відношень ..................................................................... 396 12.4. Реляційні операції ............................................................................. 401 12.5. Правила Кодда .................................................................................. 404 12.6. Нормалізація реляційних баз даних ......................................... 406 12.6.1. Перша нормальна форма ...................................................... 406 12.6.2. Друга нормальна форма ........................................................ 407 12.6.3. Третя нормальна форма ........................................................ 408 12.6.4. Четверта нормальна форма................................................... 409 12.6.5. П’ята нормальна форма ....................................................... 409 12.7. Денормалізація баз даних ......................................................... 409 12.8. Переваги та недоліки реляційного підходу у створенні баз даних .................................................................................................... 410 7 XІІІ. Підвищення ефективності роботи баз даних ............................. 411 13.1. Паралельні обчислення .................................................................... 411 13.1.1. Поняття транзакції ................................................................. 411 13.1.2. Рівні ізоляції ........................................................................... 413 13.1.3. Виконання транзакцій............................................................ 414 13.2. Обробка транзакцій .......................................................................... 415 13.2.1. OLTP-системи ....................................................................... 415 13.2.2. OLAP-системи ....................................................................... 415 13.2.3. Моніторинг транзакцій ......................................................... 416 13.3. Оптимізація баз даних ...................................................................... 416 13.4. Організація безпеки баз даних ......................................................... 419 13.5. Захист баз даних від несанкціонованого доступу........................... 421 13.6. Захист баз даних від несанкціонованого використання ресурсів .............................................................................. 421 13.7. Захист баз даних від некоректного використання ресурсів ........... 423 13.8. Захист баз даних за допомогою внесення надлишковості ............. 423 |