Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних. І бази даних
 Скачать 31.1 Mb.
|
|
Рис. 15.9. Фрагмент картографічних даних 463 Крім того, кожний об’єкт описується поза зв’язком із сусідніми і при роботі з ним невідомо, що розташовано по сусідству. Це можна з’ясувати, "переглянувши" усю базу даних і виконавши аналіз за певним критерієм. Саме ця обставина змушує уводити правила шифрування (об’єкт ліворуч або праворуч) і просторово-логічні зв’язки (ПЛЗ), за допомогою яких можна з’ясувати, що знаходиться ліворуч (праворуч). Об’єктно орієнтовані моделі, що ґрунтуються на принципах класи- фікації та кодування об’єктів, є менш універсальними в частині графіч- ного опису зображень, але усувають усі проблеми в частині об’єднання тематичної і картографічної інформації. Крім того, об’єктно орієнтовані моделі є більш перспективними, оскільки в практику все більше впрова- джуються технології об’єктно орієнтованого програмування та об’єктних СКБД. Нині об’єктно орієнтовані моделі використовує незначна кількість ГІС. До них можна віднести такі ГІС, як SMALLWORLD GIS (Англія), MapGIS (ІТК НАН Білорусі), Панорама (МО РФ) та інші. Серед вітчизняних таких ГІС, наскільки відомо авторам, взагалі немає. Підсумовуючи вищенаведене, слід зазначити, що основними моти- вами вибору об’єктного підходу до побудови моделі збереження даних можна назвати природність подання у вигляді об’єктів моделі реального світу, керованість розробкою проекту і відкритість його до модернізації, логічність і наочність у маніпуляціях із даними, а також необхідність застосування об’єктної бази даних для збереження неоднорідної інформації, що використовується в ГІС. 15.4. Моделі організації даних Принципи організації даних визначають відповідні моделі організації даних: 1) геореляційна модель організації даних; 2) об’єктно орієнтована модель організації даних; 3) об’єктно реляційна модель організації даних. Широкого поширення набули моделі даних ESRI: а) геореляційна модель організації даних у вигляді моделі даних "Шейп-файл" і моделі даних "Покриття"; б) об’єктно орієнтована модель організації даних у вигляді моделі даних "База геоданих". На рис. 15.10 представлено ієрархію моделей даних ESRI від загального верхнього рівня моделей географічних об’єктів до нижнього спеціального рівня організації даних. 464 Рис. 15.10. Моделі даних ESRI [47] 15.4.1. Сутність геореляційної моделі даних ESRI У реляційній моделі дані зберігаються як асоційовані набори таблиць, які логічно пов’язані за допомогою спільних атрибутів. Записи зберіга- ються як рядки таблиць, атрибути – у вигляді колонок. Кожна колонка містить атрибутивні дані тільки одного типу: дату, текстовий рядок, числові дані тощо. Таблиці стандартизуються для мінімізації дублювання. ГІС містить два типи даних – просторові і семантичні (атрибутивні). Просторові дані географічних об’єктів зберігаються в окремих таб- лицях просторових даних у вигляді послідовності координатних пар x, y. Атрибутивні дані географічних об’єктів організовуються у таблиці атрибутивних даних. Кількість записів у таблицях атрибутів дорівнює кількості графічних об’єктів у двійкових файлах. Відношення між географічними об’єктами здійснюється за допо- могою топології, яка також подається відповідними таблицями. У ГІС, орієнтованих на роботу з базами даних (зокрема, в ARC/INFO) [63], успішно застосовується геореляційна модель даних (Georelational Data Model). Сутність цієї моделі полягає у роздільному зберіганні значень координат і атрибутивних даних. Зв’язок між просторовою й атрибутивною інформацією здійснюється за допомогою ідентифікаторів. Ця модель заснована на геометричному типі об’єкта і відображає світ у вигляді наборів точок, ліній і полігонів. Координати кожного об’єкта з унікальним ідентифікаційним номером зберігаються в двійкових "arc"- файлах. Атрибутивні значення й опис топології зберігаються в таблицях реляційної СКБД (первісно в INFO таблиці). Записи пов’язані з геометрією за допомогою ідентифікаційного номера об’єкта (Identifier – ID). Модель 465 географічних даних подає географічні об’єкти як набір взаємопов’язаних просторових і атрибутивних даних. При цьому ГІС здійснює узгоджене управління цілісною інформацією об’єктів, яка розподіляється між файловою системою і базою даних. Таким чином, геореляційна модель даних визначається наступними умовами [86]: 1) записами в таблицях просторових даних, які відображають моделі географічних об’єктів (точками, лініями, полігонами) і записами в таблиці атрибутів; 2) зв’язок між географічним об’єктом і записом у таблиці атрибутів підтримується через унікальний номер – ідентифікатор об’єкта; 3) ідентифікатор зберігається у двох місцях: у файлах географічних об’єктів, що містить пари координат Х, Y, і у відповідних записах таблиці атрибутів географічних об’єктів. Важливою вимогою цієї моделі є так звана планарність виконання, яка означає, що плоска поверхня покривається безперервно об’єктами без перетинання. Перевагою реляційних таблиць є те, що вони дозволяють спростити реальний світ і надають швидкі й достовірні відповіді на запити, які вони опрацьовують. У геореляційних моделях використовується фіксований набір вбудованих типів даних, таких як числа, дати та текстові рядки. Геореляційні моделі можуть вимагати складного прикладного про- грамування для результативного моделювання комплексних ситуацій реального світу. Складні змінні потребують великої кількості взаємоза- лежних таблиць. Однак геореляційна модель неспроможна моделювати усе розмаїття географічних об’єктів для конкретної області користувача. В моделі об’єктів можуть бути геометричні структури, в яких один і той же об’єкт (наприклад, полігон) може відображати будинок або зе- мельну ділянку, якщо обидві форми співпадають. Єдина відмінність полягає в їх атрибутах. Геореляційна модель має наступні переваги [86]: – проста структура таблиць, які легко зчитувати; – інтуїтивно простий інтерфейс користувача; – наявність множини інструментів для кінцевих користувачів (наприклад, макросів і скриптів); – простота зміни й додавання нових прив’язок, даних і записів; – простота використання таблиць, що описують географічні еле- менти зі спільними атрибутами; – можливість прив’язки таблиць, що описують топологію, необхід- ну для просторового аналізу; – прямий доступ до даних, які забезпечують їх швидку й ефективну обробку; 466 – незалежність даних від додатка; – наявність великих об’ємів просторових даних у цьому форматі. До недоліків геореляційної моделі можна віднести: • обмежене подання реального світу; • обмежену гнучкість управління запитами і даними; • повільний послідовний доступ; • складність моделювання складних відносин даних, оскільки для цього часто необхідні кваліфіковані прикладні програмісти баз даних; • необхідність подання складних відношень у вигляді процедур у кожній програмі, яка звертається до бази даних. 15.4.2. Збереження даних у моделі "Шейп-файл" Модель даних "Шейп-файл" представляється цифровим форматом Shapefile. Формат "Шейп-файл" (Shapefile) – це цифровий векторний фор- мат ESRI для збереження просторової і пов’язаної семантичної (атри- бутивної) інформації про географічні об’єкти. Цей формат є непридатним для збереження топологічної інформації. Формат Shapefiles створений для ArcView GIS; він використовується в ARC/INFO, ArcGIS [89]. Формат Shapefile містить набір файлів з однаковою назвою, але з різним розширенням. Наприклад: 1. Forest.shp. 2. Forest.dbf. 3. Forest.shx. 4. Forest.sbn. 5. Forest.sbx. 6. Forest.ain. 7. Forest.aih. Ці файли поділяються на обов’язкові та факультативні (додаткові). Обов’язковими файлами є три файли з розширенням .shp, .shx, .dbf, оскіль- ки вони містять базові дані. Файл форми з розширенням .shp (shape file) – це головний файл, який зберігає географічні об’єкти в його власному запису як список координатних пар x, y. Оскільки кожний географічний об’єкт (за винятком точкових) може містити різну кількість координатних пар, кожний запис у .shp файлі може бути різної довжини. Записи змінної довжини вимагають певного часу для обробки і відображення на екрані, тому .shp файл індексується з .shx файлом. Файл індексу форми з розширенням .shx (shape index file) містить один запис фіксованої довжини для кожного запису в .shp файлі. Кожний запис в .shx файлі містить номер запису і довжину в байтах відповідного запису в .shp файлі. Оскільки усі записи в .shx файлі мають рівну довжину, вони можуть швидко зчитуватись і оброблятися аналогічно табличному пошуку для звітів у .shp файлі. Файл-індекс форми (.shx) прискорює креслення усіх 467 просторових об’єктів у шейп-файлі. Можна прискорити запит і відбір інди- відуальних просторових об’єктів створюючи просторовий і атрибутивний індекси [89]. Файл атрибутів із розширенням .dbf (dBASE file) зберігає атрибу- тивну інформацію про просторові об’єкти у .shp файлі як таблицю атрибутів у форматі dBASE. Таблиця атрибутів містить один запис для кожного просторового об’єкта у .shp файлі. Кожний запис атрибутів має відношення один до одного з відповідним записом форми. Додаткові 2 файли просторових індексів ArcView GIS створює кож- ного разу, коли виконується просторове з’єднання або вибір теми темою. Файл просторового лотка з розширенням .sbn (spatial bin) розділяє ділянку, що містить географічні об’єкти .shp файлу на прямокутні ділянки, що отримали назву лотків. Кожний лоток містить запис кількості просторових об’єктів у .shp файлі, які потрапляють у його сферу. Коли виконується просторовий запит, записи в .sbn файлі зчитуються першими і розглядаються тільки просторові об’єкти, які перетинають лотки, зазначені запитом. Це значно прискорює обробку. Оскільки у лотки потрапляє різна кількість просторових об’єктів, то записи лотка змінюються за довжиною і потребують власного індексу. Файл просторового індексу лотка з розширенням .sbx (spatial bin index) файл містить один запис фіксованої довжини для кожного запису у .sbn файлі. Кожний запис у .sbx файлі містить запис числа і довжини в байтах відповідного запису лотка у .sbn файлі. Оскільки записи у .sbx однакової довжини, вони можуть зчитуватись доволі швидко та опрацьовуватись аналогічно табличному пошуку у записах змінної довжини у .sbn. Додаткові 2 файли індексу атрибуту ArcView GIS створює кожного разу, коли виконується зв’язок із таблицею. Файл індексу атрибута з роз- ширенням .ain (attribute index) – файл містить один індекс для кожного поля, включеного у зв’язок, або такого, для якого створений індекс мето- дом, описаним вище. Ці індекси покращують операції з даними типу з’єд- нання і зв’язку та прискорюють прості запити типу: [Назва] = "Чернігів". Індекс атрибута не буде покращувати операції на запитах, що вклю- чають рядки відповідності типу [Назва] або порівняння [Кількість] < 100000. Файл заголовка індексу атрибута з розширенням .aih (attribute index header) – містить назву кожного поля, яке було індексоване. Він слугує як каталог до значень, що містяться в .ain файлі. До додаткових файлів відносяться ще три файли. Файл системи коор- динат із розширенням .prj (map projection) зберігає інформацію про систему координат і картографічні проекції. Файл метаданих із розширенням .xml (extensible markup language) зберігає дані про дані в ArcInfo та ArcView 8.0 і більш пізніх версій для використання в Internet. Файл легенди з розширенням (ArcView legend) зберігає символіку графічного відображення об’єктів. 468 Шейп-файли є простими, оскільки зберігають примітивні геомет- ричні типи даних: точкові, лінійні та полігональні. Ці примітиви мають обмежене використання без будь-яких ознак для вказівки того, що вони представляють. Таким чином, таблиця записів буде зберігати просторові об’єкти та атрибути для кожної примітивної форми в шейп-файлі. Форми (точкові, лінійні, полігональні), а також дані атрибутів можуть створювати нескін- ченну множину уявлень (представлень) про географічні дані. Представ- лення надає можливості для потужного і точного обчислення. 15.4.3. Збереження даних у моделі "Покриття" Покриття (Coverage) – це геореляційна модель, яка має векторний топологічний формат даних. Інститутом ESRI розроблені дві версії файлів покриття: для PC ARC\INFO у 1981 р., для версій ArcGIS з 2000 р. В математиці термін "покриття множини Х" – це сімейство підмно- жин цієї множини, об’єднання яких є Х, або сімейство підмножин про- стору, в якому розташоване Х і яке містить Х. Елементи покриття містять у собі повну інформацію про локальну будову простору. Поняття "покриття" розглядається у контексті загальної топології. Покриття містить просторові й атрибутивні дані географічних об’єктів. Покриття використовує набір класів просторових об’єктів для подання географічних об’єктів (рис. 15.11) [89]. Рис. 15.11. Класи просторових об’єктів у покритті Модель даних "Покриття" використовує наступні класи просторо- вих об’єктів: Точка (Point) – використовується для подання точкових просторо- вих об’єктів або користувацьких ідентифікаторів ID полігонів. Точка визначається координатною парою x,y. 469 Дуга (Arc) – використовується для подання лінійних просторових об’єктів або меж полігонів. Дуга визначається послідовністю коор- динатних пар x,y початкового вузла, проміжних вершин, кінцевого вузла. Дуги топологічно зв’язуються через їх кінцеві точки (вузли). Один лінійний об’єкт може бути утворений багатьма дугами. Вузол (Node) – представляє кінцеві точки дуг або перетинання лі- нійних об’єктів. Вузол має унікальний ідентифікатор. Вузол може топологічно пов’язуватись із набором дуг, які з’єднані між собою. Шлях (Route) – лінійний просторовий об’єкт, що складає одну чи декілька дуг або частин дуг. Секція (Section) – дуга або частина дуги, яка використовується для визначення шляху чи створення шляхових блоків. Полігон (Polygon) – представляє площинні об’єкти. Полігони топо- логічно визначаються серією дуг, які формують їх межі, включаючи дуги, що визначають острови усередині. Користувацькі ідентифікатори ID полігонів подаються точками усередині меж. Регіон (Region) – сукупність полігонів, що представляють геогра- фічний об’єкт. Анотація (Annotation) – текст, що використовується для позна- чення об’єктів. Анотації не мають топологічних зв’язків з іншими об’єктами та не використовуються для аналітичних цілей. Реперна точка (Tic) – реєстраційна точка, яка визначає поло- ження відомої точки на земній поверхні, для якої відомі координати реального земного простору. Реперні точки дозволяють реєструвати та трансформувати координати покриття. Рекомендована кількість реперних точок – 4 і більше. Охоплення покриття (Coverage Еxtent) – мінімальний прямокут- ник, що обмежує покриття, яке представляє територіальне охоплення покриття. Охоплення покриття визначається граничними координатами X max , X min , Y max , Y min його елементів. Описові дані для класів просторових об’єктів зберігаються у відпо- відних таблицях атрибутів. Пов’язування просторових об’єктів й атри- бутів забезпечується наступними базовими принципами: • просторові об’єкти у покритті існують у відношенні "один-до-од- ного" з відповідними записами у таблиці атрибутів просторових об’єктів; • ArcGIS підтримує зв’язок між просторовими об’єктами й атрибу- тами за допомогою ідентифікатора, призначеного кожному об’єктові; • порядковий номер просторового об’єкта фізично зберігається у двох місцях покриття: • у файлах, що містять просторові дані для кожного просторового об’єкта (координатні пари); • відповідним записом у таблиці атрибутів просторових об’єктів. 470 ArcGIS автоматично створює та підтримує ці зв’язки. Набір класів у покритті варіюється залежно від географічних об’єктів, які воно представляє. Покриття може містити: 1) набір точок, які представляють географічні об’єкти, й асоційовані таблиці атрибутів, які описують ці точкові об’єкти; 2) набір вузлів і дуг, які представляють лінійні просторові об’єкти, та асоційовані таблиці атрибутів, які описують ці лінійні об’єкти; 3) набір вузлів і дуг, які оточують географічні області (полігони), та асоційовані таблиці атрибутів, які описують ці області; 4) комбінацію наборів 1) і 2); 5) комбінацію наборів 2) і 3). Покриття також містить інші елементи (анотації та реперні точки). Наведене свідчить, що дуга і вузол є головними "будівельними" елемен- тами покриття. Ключове значення дуги Arc використовується у назві програмних продуктів ArcInfo, ArcGIS. Покриття зберігається як директорія, у якій кожний клас просторових об’єктів зберігається як набір файлів. Наприклад, покриття "дороги" є лінійним покриттям, що містить файл дуг (Arc), файл анотацій (Annotation) для дуг, файл реперних точок (Tic). Просторові дані зберігаються у двійкових файлах, а атрибутивні та топологічні дані – в таблицях INFO. Покриття також може мати асоційо- вані файли. Топологія має відношення до способу, згідно з яким лінійні дані збе- рігаються і співвідносяться. Топологія реєструє просторові відношення між дугами й полігонами в покритті. Кожна дуга має "від вузла", "до вузла", по- лігон ліворуч і праворуч, унікальний ідентифікатор ID-дуги та внутрішній порядковий номер. Групи дуг, які формують замкнені форми (полігони), асоціюються з унікальною міткою. Збереження даних таким способом дозволяє системі визначати, які полігони суміжні, які дуги формують полігони, як далеко стоять центри дуг і полігонів один від одного тощо. Треба мати на увазі, що топологія не створюється автоматично. Користувач використовує спеціальні команди для створення топології [89]. |