Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
Горизонтальна пошарова організація даних. При розробці логіч- ної моделі даних із використанням реляційної моделі може знадобитися горизонтальний поділ одного тематичного шару, який отримав назву "бібліотека карт". Це робиться, головним чином, через зручність адмі- ністрування баз даних і щоб уникнути роботи з занадто великими файлами. Внутрішня організація шарів даних у горизонтальній формі в ГІС отримала назву просторового індексування [57]. Аркуші (теми) в бібліотеці карт дають змогу легко оновлювати й зберігати дані шляхом просторового поділу. Одночасно можна аналі- зувати, запитувати та відображати операції на базі даних усього регіону. Кожен з аркушів бібліотеки має починатися з порожнього стандар- тизованого шару-основи, який може включати кордон досліджуваної ділянки (екстент, extent) та розташування реєстраційних точок. Ці шари- основи важливі для автоматизації. Вони гарантують, що суміжні аркуші будуть збігатися, а не перекриватись при їх поєднанні, або відображатися один біля одного. Реєстраційні точки, які мають один і той же іденти- фікатор, будуть мати одне й те ж місцезнаходження. Якщо реєстраційні точки відсутні, то необхідно, щоб координати об’єкта в місці розриву су- міжних аркушів збігалися, бо їх невідповідність призведе до неможливості автоматичного стикування, а це стане причиною збільшення ручних робіт. Векторні ГІС використовують просторові індекси для більш швидкого доступу до об’єктів на певній ділянці карти. Індексування просторових об’єктів дозволяє зменшити обчислювальну складність процедур пошуку вкладених об’єктів або об’єктів, що перетинаються, тому індекси є важливою частиною алгоритмів накладення полігонів. Просторове індексування – це метод використання програмного забезпечення для збереження й отримання просторових даних. Існують різні підходи для прискорення процесу пошуку просторових об’єктів у межах програмного продукту ГІС. Більшість із них пов’язані з розподілом географічної ділянки на керовані підмножини або блоки. Ці блоки потім індексуються математично, наприклад, методом розбивки квадродерева або побудови R-дерева, щоб забезпечити швидкий пошук і витяг при запиті за ініціативою користувача. Просторове індексування аналогічне визначенню аркушів карти, за винятком того, що конкретні методи індексування 456 використовуються для доступу до даних через карту меж аркушів (блоків). Це робиться для підвищення продуктивності запитів для великих наборів даних, які охоплюють декілька аркушів карти, а також для забезпечення цілісності даних за допомогою меж аркушів карти. Метод і процес просторового індексування зазвичай є прозорим для користувача. Незважаючи на це, він є надзвичайно корисним при вико- ристанні особливо великих об’ємів даних. Поняття просторової індексації відіграє все більш важливу роль у розробці великомасштабних додатків із використанням ГІС. Наприклад, якщо інформацію про дорожню мережу певного району можна виразити у вигляді таблиць з номерами доріг за зазначеним класифікатором і множиною числових характеристик або представити цю ж інформацію у вигляді карти, де дороги відображені у вигляді ліній, а пов’язані з ними числові характеристики (ширина, кількість смуг руху, тип покриття тощо) виражені у вигляді умовних знаків (тип лінії, колір, товщина). Поділ інформації на фізичному рівні може повністю не відповідати її поділу на концептуальному рівні, наприклад, фізично згру- пована в один шар інформація може представляти декілька різноманітних тематичних прошарків для користувача. Такий розподіл різних рівнів організації даних досить зручний для практики. Тематичні шари карт можуть поєднуватись, утворюючи базу даних (бібліотеку карт) (рис. 15.8). Рис. 15.8. Створення бібліотеки тематичних карт Важливо відзначити, що растрові системи за характером своєї струк- тури даних зазвичай не вимагають методу просторовиого індексування. Растровий підхід накладає регулярні, легко адресовані розділи за даними навколишнього світу нерозривно з їх структурою даних. Таким 457 чином, просторова індексація, як правило, не потрібна. Однак у більш складних векторних ГІС потрібен спосіб швидкого отримання просто- рових об’єктів. 15.3.2. Об’єктно орієнтований принцип організації даних Складність реального світу та його пізнання вимагають розвитку від- повідних методів і засобів, у тому числі й у ГІС. У свою чергу розвиток ГІС пов’язаний із потребою спільної обробки зростаючих обсягів просторової й непросторової інформації, розробки більш складних процесів обробки взаємопов’язаної різнопланової інформації, інтеграції цієї інформації у взаємодії з іншими, різними за призначенням системами. Додаткові вимоги в частині знаходження оптимальних (раціональних) рішень, зручності, продуктивності, надійності та вартості також потребують розробки і розвитку адекватних моделей. Поширення потужних персональних комп’ютерів створило у 90-х рр. ХХ ст. основу для широкого застосування об’єктно орієнтованого підходу в практиці проектування та програмування інформаційних систем. Нова методологія орієнтована на подолання складності, пов’язаної з розробкою програмних засобів, на створення великих складних систем, колективну їх розробку, наступний активний супровід при експлуатації і регулярні модифікації [50]. Об’єктно орієнтована модель розширює можливості застосування ГІС для максимального спрощення створення інтелектуальних просторо- вих об’єктів, які відображають взаємодію і поведінку об’єктів реального світу. За цим принципом організації даних групування об’єктів відповідає їх логічним взаємозв’язкам. Об’єктно орієнтований принцип організації даних в ГІС фокусує увагу не стільки на загальних властивостях об’єктів (що моделюються через поділ на тематичні шари в попередньому підході), а на їх положенні у певній складній ієрархічній схемі класифікації і на взаємовідношеннях між об’єктами. В силу цього зручно відображаються різні родинні і генетичні відношення між об’єктами, відношення співпідпорядкованості, функціональні зв’язки між об’єктами. Об’єктно орієнтований підхід у ГІС базується на моделях, підходах і термінах об’єктно орієнтованих баз даних та об’єктно орієнтованого про- грамування, але має свої специфічні риси: зберігання просторових і семан- тичних даних в одній базі даних; зберігання форми просторового об’єкта; топологічно зберігає інтегровані набори класів об’єктів тощо. У ньому від- сутній поділ інформації на тематичні шари, точніше групування об’єктів у тематичні шари, з якими можна маніпулювати як з тематичними картами. Групування здійснюється більш складним чином, згідно з логічними 458 взаємозв’язками між ними, з побудовою ієрархій, які відповідають їх най- більшим загальним властивостям. Такий підхід наближений до структури людського мислення. Він ефективний, коли необхідне використання логічних взаємозв’язків об’єктів, але малоефективний при безперервному розподілі у просторі ознак (побудові рельєфу, оцінці питомого вмісту корисної копалини, забрудненні ґрунту важкими металами тощо). В основі об’єктно орієнтованої методології лежить об’єктний під- хід, при якому предметна прикладна сфера подається у вигляді сукупності об’єктів, які взаємодіють між собою за допомогою передачі повідомлень [37]. Об’єкт – сутність (реальна або абстрактна), що має стан, поведінку та індивідуальність. Стан об’єкта характеризується його структурою, переліком усіх можливих властивостей та значеннями кожної з цих властивостей. Поведінка об’єкта (функціональність) – характеристика того, як об’єкт взаємодіє з іншими об’єктами або піддається взаємодії інших об’єктів, виявляючи свою індивідуальність. Поведінка об’єкта реалізується у вигляді функцій, які називають методами. При цьому структура об’єкта є доступною тільки через його методи, які в сукупності формують інтерфейс об’єкта. Індивідуальність об’єкта – властивості об’єкта, що відрізняють його від усіх інших об’єктів. Для об’єктно орієнтованої методології особливий інтерес становлять два типи ієрархічних співвідношень об’єктів: – зв’язки, що позначають рівноправні відношення між об’єктами; об’єкт співпрацює з іншими об’єктами через зв’язки, що з’єднують його з ними; – агрегація, яка описує відношення цілого і частини, що приводять до відповідної ієрархії об’єктів. Об’єкти утворюють мінімальні одиниці інкапсуляції. Інкапсуляцією називається спосіб об’єднання структури і пове- дінки в одному місці (начебто в "капсулі") та приховання усіх даних усередині об’єкта, що робить їх невидимими для усіх, за винятком методів самого об’єкта. В об’єктно орієнтованій моделі об’єкти інкапсулюють атрибути і лінії поведінки. Доступ до даних, що містяться в об’єкті, можливий тільки відповідно до ліній поведінки об’єкта. Інкапсуляція захищає дані від ушкодження іншими об’єктами, а також закриває внутрішні деталі об’єктів від іншої системи. Інкапсу- ляція також забезпечує ступінь незалежності даних, щоб не виникало потреби змінювати об’єкти-відправники або об’єкти, що отримують 459 повідомлення, при їх взаємодії з об’єктом, поведінка якого змінилася. Інкапсуляція – це сутність об’єктно орієнтованої моделі. Одне з ключових понять об’єктно орієнтованого підходу – поняття класу. Клас – множина об’єктів, що мають спільну структуру і спільну поведінку. Саме клас спочатку описує змінні і методи об’єкта, тобто структуру і поведінку об’єкта. Будь-який конкретний об’єкт – це екземпляр класу. Об’єкти, не пов’язані спільністю структури і поведінки, не можна об’єднати в клас, оскільки за визначенням вони нічим не пов’язані між собою. Істотними є такі типи відношень між класами: – відношення "узагальнення спеціалізація" (загальне і часткове) від- биває ступінь загальності, відношення "ціле-частина" відбиває агрегу- вання об’єктів; – відношення "асоціація" відбиває змістовий зв’язок між класами, які не пов’язані ніякими іншими типами відношень; – спадкування – це таке відношення між класами, коли один клас повторює структуру і поведінку іншого класу (одиночне спадкування) або інших (множинне спадкування) класів. Клас, структура і поведінка якого успадковуються, називається суперкласом. Похідний від суперкласу клас називається підкласом. Це означає, що спадкування встановлює між класами ієрархію загального і часткового. Відношення описують те, як об’єкти асоційовані один з одним. Вони визначають правила створення, зміни та видалення об’єктів. Існує декілька видів відношень, які можуть використовуватися в об’єктно орієнтованій моделі даних. Спадкування – дозволяє одному класу успадковувати атрибути та лінії поведінки одного або декількох інших класів. Клас, що успадковує атрибути і лінії поведінки, відомий як підклас. Батьківський клас нази- вається суперкласом. Крім успадкованої ними лінії поведінки, підкласи можуть додавати або перевизначити успадковані атрибути і лінії поведінки. Суперклас – це генералізація його підкласів, а підклас – це уточ- нення свого суперкласу. Наприклад, будинок – це уточнення будівлі, а будів- ля – це генералізація будинку. Клас будинків може успадковувати атрибути і лінії поведінки класу будівель, такі як кількість поверхів, кімнат та тип споруди. Асоціація – загальні відношення між об’єктами. Кожна асоціація може також мати асоційовану з нею множинність, яка визначає кількість об’єктів, асоційованих з іншим об’єктом. Наприклад, асоціація може 460 свідчити, що "власник" об’єкта може мати один або багато будинків. Об’єднання (агрегування) і композиція – це особливі типи асоціацій. Об’єднання (агрегування) – визначений тип асоціації. Об’єкти мо- жуть містити інші об’єкти, тому об’єднання – це просто набір різних класів об’єктів, зібраних в один клас, який стає новим об’єктом. Класи об’єктів мо- жуть збиратись в об’єднаний клас. Наприклад, об’єднаний клас "Земельно- майновий комплекс" може бути створений шляхом об’єднання класів "Земельна ділянка" і "Будинки". Ці нові складені об’єкти є важливими, оскільки вони, на відміну від простих об’єктів, спроможні представляти більш складні структури. Композиція – ще одна спеціальна форма асоціації. Це більш сильний асоціативний взаємозв’язок, при якому життя "вмісту" класів об’єктів керує життям "змістового" класу об’єктів (контейнера). Наприклад, будинок складається з основи, стін та даху. Якщо видалити будинок, то автоматично видалиться його основа, стіни і дах, але не його символ. Об’єктно орієнтована технологія ґрунтується на об’єктній моделі. Основними принципами, на яких будуються об’єктні моделі, є: абст- рагування, інкапсуляція, модульність, ієрархічність, типізація, паралелізм та збережуваність. Абстракція виділяє істотні характеристики якогось об’єкта, які відрізняють його від усіх інших видів об’єктів і, таким чином, чітко визначає його концептуальні межі з точки зору спостерігача. Інкапсуляція – це процес відділення один від одного елементів об’єкта, які визначають його устрій і поведінку; інкапсуляція слугує для того, щоб ізолювати контрактні зобов’язання абстракції від їх реалізації. Модульність – це властивість системи, яка була розкладена на слабко внутрішньо пов’язані між собою модулі. Ієрархія – це ранжування абстракцій, розташування їх за рівнями. Типізація – це спосіб захисту від використання об’єктів одного класу замість іншого або, у крайньому разі, керування таким використанням. Паралелізм – це властивість, яка відрізняє активні об’єкти від пасивних. Збережуваність – здатність об’єкта існувати у часі, переживаючи процес, що його породив, і (або) у просторі, переміщаючись зі свого первісного адресного простору. Об’єктно орієнтована модель бази геоданих має низку переваг: – забезпечує комплексне подання реального світу; – модель є інтуїтивною, оскільки в ній використовуються об’єкти, що існують у реальному світі; 461 – інкапсуляція, що об’єднує атрибути і лінії поведінки об’єкта, робить можливим доступ до об’єкта за допомогою чітко визначеного набору методів та атрибутів без знання змісту об’єкта; – забезпечує високий рівень цілісності даних (нові дані повинні відповідати правилам поведінки); – забезпечує моделювання складних відношень між даними; – підтримує множинні рівні генералізації, об’єднання і асоціації; – добре інтегрується з методами імітаційного моделювання; – має функцію підтримки версій для одночасного множинного оновлення; – вимагає меншого кодування в ГІС-програмах, що означає меншого внесення помилок і більш низьку вартість підтримки. В об’єктно орієнтованій моделі даних є також і деякі недоліки: • комплексні моделі реального світу складніше розробляти і будувати; • великі та комплексні моделі виконуються повільніше; • ця модель залежить від ретельності опису явищ реального світу (що особливо складно у світі природи); • аналіз об’єктно орієнтованих баз даних вимагає використання об’єктно орієнтованих мов програмування; • деякі бізнес-додатки можуть не мати доступу до об’єктно орієнто- ваної бази даних або можливості передачі до неї даних. Аналіз сучасного розвитку ГІС свідчить про те, що: – системи з єдиним способом організації даних є радше винятком, ніж правилом; – не існує єдиного й універсального способу ефективної просторової організації даних; у будь-якому разі необхідна повнота подає і зручність операцій досягаються використанням великої розмаїтості підходів; – множинність підходів забезпечує гнучкість подання і використання даних; – гнучкість системи досягається, крім того, моделюванням як самих просторових структур, так і відносин між ними та можливістю переходу від одних способів подання до інших. Продемонструємо переваги такої організації даних. Для прикладу розглянемо річку, яка підлягає моделюванню в ГІС. Зовнішньо вона подається у вигляді ламаної лінії, яка має товщину і колір. Положення ламаної лінії на карті характеризується координатами точок початку і кінця, а також координатами проміжних точок. Як просторовий об’єкт річка описується різноманітними параметрами – вона має назву, довжину, річний стік тощо. Частина цієї інформації існує на карті у ви- гляді самостійних елементів (наприклад, назва), а частина зберігається в спеціальних структурах даних і за потреби (запит користувача) може бути отримана у наочному вигляді. Все перераховане стосується і власти- 462 востей. Тепер про поведінку. Річка промальовується на карті. Зображення річки можна деформувати, наприклад, при зміні масштабу або спрямленні, змінюючи, таким чином, векторні координати точок ламаної. Інакше кажучи, поведінка русла річки як об’єкта програми повністю визначається діями, які можна виконувати. Треба також зазначити, що у всіх річок однакова поведінка, але різні значення параметрів, це дозволяє відрізняти одну річку від іншої. Об’єктно орієнтована модель будується на концепції цифрового опису об’єктів місцевості в термінах сутностей і відношень між ними, де під об’єктом розуміють об’єкт місцевості або карти, метричний і семан- тичний опис якого не змінюється впродовж усього об’єкта. В об’єктно орієнтованих моделях топологічні відносини формуються на рівні об’єкта, а не на рівні графічних примітивів, однак це цілком можливе. В даних моделях поняття тематичного шару не є головним, а оди- ницею управління даними слугує об’єкт, який описується в термінах сис- теми класифікації і кодування об’єктів карти. Атрибутивна інформація зберігається у вигляді таблиць, пов’язаних з просторовою інформацією. Як приклад на рис. 15.9 представлено цифрову модель фрагмента в об’єктно орієнтованому вигляді, яка містить опис полігональних об’єктів (ліс, ялина заввишки 25 м, діаметром 0,3 м, відстань між деревами 7 м; полігони посадженої берези (висота 20 м, діаметр 0,25 м, відстань 4 м); луг) і лінійних об’єктів (лісова дорога та польова дорога по контуру лісу, лугу, посадки). Треба відзначити, що багато ділянок метричного опису повторю- ються і неодноразово: АВ тричі (ліс, луг, дорога), ВС – тричі (посадка, луг, дорога), CD – двічі (посадка, дорога), BD – двічі (ліс, посадка). Метричні описи повторюваних ділянок необов’язково однакові, оскільки при роздільному цифруванні кожного об’єкта вони можуть не збігатися. |