 |
Геореляционная модель данных
|
|
|
|
Одним из важнейших свойств геоинформационных систем является то, что почти для любого пространственного объекта можно задать набор дополнительных атрибутов в виде числовых или символьных значений.
Последние десятилетия среди множества различных моделей баз данных наиболее распространенной в геоинформатике является так называемая реляционная модель. С точки зрения пользователя вся база данных в этой модели состоит из набора различных таблиц, имеющих фиксированные наборы столбцов (полей), и переменное число строк (записей), описывающих некоторые объекты. Связи между таблицами обеспечиваются с помощью ключевых полей – специально выделенных столбцов таблиц.
В полях реляционных таблиц могут хранится данные только некоторых определенных типов: целые и вещественные числа, строки, логические значения, дата, время, а также большие бинарные массивы (в BLOB-полях).
Для работы с реляционными базами данных разработан специальный язык SQL (язык структурированных запросов), позволяющий выполнять модификацию базы данных, а также выполнять поиск требуемых данных.
На рис. 2.13 представлена простая база данных из двух таблиц, содержащая сведения о земельных участках и их собственниках. Каждая из таблиц содержит ключевое поле (ключ) «ID», уникально определяющее объект «земельный участок» или «собственник» внутри соответствующей таблицы. Связи между таблицами осуществляются с помощью таких ключевых полей. Так, для этого в таблице «Земельный участок» специально выделено поле «Код собственника», в котором запоминается значение ключа из таблицы «Собственник».
Рис. 2.13. Таблицы реляционной базы данных
В дальнейшем при необходимости получения имени собственника для заданного земельного участка система управления базами данных (СУБД) получит код собственника в таблице «Земельный участок», затем найдет в таблице «Собственник» запись с этим кодом и извлечет из соответствующего поля искомое описание собственника.
|
|
|
Одним из недостатков таблицы «Земельный участок» является то, что здесь никак не хранятся сведения о геометрии самого участка. Для этого в соответствии с реляционным подходом следовало было бы завести ряд вспомогательных таблиц и хранить в них необходимую информацию о полигонах, составляющих земельные участки. Однако скорость работы даже самых лучших в мире СУБД не позволит оперативно использовать геометрические данные, представленные в таком виде. «Оперативно» – это когда требуется, например, за доли секунды отрисовать на экране компьютера десятки и сотни тысяч земельных участков.
Именно поэтому в большинстве геоинформационных систем сложился несколько иной – геореляционный подход, когда геометрия пространственного объекта (например, земельного участка) хранится в отдельном месте в специально разработанном формате, а атрибуты объекта – в некоторой таблице базы данных. При этом связь между геометрией и атрибутами осуществляется с помощью ключа – уникального кода пространственного объекта, примерно так же, как и в реляционных таблицах (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Геореляционная база данных (слева – упорядоченный
список пространственных объектов в слое карты,
а справа – связанные с ними записи в базе данных)
В геоинформационных системах для удобства пользователей имеется операция соединения атрибутов пространственных данных с таблицами внешних баз данных. В результате пользователю кажется, будто он имеет дело с обычными таблицами баз данных, в которых дополнительно появился первый столбец с геометрией объектов. Для вышеприведенного примера с земельными участками получаемый результат представлен на рис. 2.15.
|
|
|
Рис. 2.15. Соединение таблиц геореляционной базы данных
Теперь, после операции соединения, возможно выполнение операций различных информационных запросов над соединенной таблицей. Например, для земельных участков можно запросить все участки, принадлежащие физическим лицам, и они будут выделены на карте в ГИС.
Другой важной особенностью ГИС после выполнения соединения является автоматическое добавление и удаление записей в присоединенной таблице. Так, при создании на слое карты нового полигона в присоединенной таблице (в нашем примере, в таблице «Земельный участок») будет автоматически создана запись с необходимым значением кода связи ID. При удалении полигона с карты связанная запись будет удалена.
Геореляционный подход в ГИС используется не только для хранения атрибутов для векторных объектов (в шейп-файлах, покрытиях, транспортных сетях и САПР-моделях). Аналогичным способом хранятся данные в растровой модели данных (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Геореляционная база данных (вверху – растровый слой карты,
снизу – связанные с ними записи в базе данных)
Геобаза данных
Изначально и до сих пор почти во всех ГИС геометрия и атрибутика пространственных объектов хранятся в различных файлах. Это связано с двумя основными причинами.
Во-первых, это с низкой скоростью извлечения и изменения геометрической информации из баз данных, управляемых обычными системам СУБД, по сравнению с обычными файлами. Отчасти это было связано с низкой пропускной способностью каналов связи между сервером с СУБД, не позволявших передавать с сервера на компьютер пользователя информацию об пространственных объектах, которые должны выводиться на экран практически в реальном режиме времени. Кроме того, низкая скорость связана с тем, что геометрия линейных и площадных объектов должна храниться во вспомогательных таблицах или в BLOB-полях, что также существенно снижает скорость обращения к данным.
Во-вторых, хранение геометрии объектов в базе данных не даёт тех преимуществ, которые имеются при хранении обычных негеометрических данных. Например, в обычных БД имеются несколько ключевых понятий, используемых практически во всех прикладных базах данных. Это «ограничения целостности», не позволяющие вводить некорректные значения в отдельные поля таблиц и создавать некорректные ссылки между таблицами базы данных. Это «блокировки», запрещающие редактировать отдельные поля или целые таблицы базы данных. И это «транзакции», позволяющие выполнять большие изменения БД, но в случае ошибки во время транзакции «откатывающие» состояние всей БД в состояние до её начала.
|
|
|
Но все эти ограничения целостности, блокировки и транзакции мало применимы для пространственных объектов. Так, ограничения целостности в ГИС в основном имеют геометрический характер (например, запрещено пересечение линий дорог и рек, т.к. пересечение рек дорогами должно быть только через мост) и их очень сложно описать стандартными средствами СУБД (в виде хранимых процедур на языке SQL). Блокировки в ГИС должны также иметь пространственный характер, например, для обеспечения возможности параллельной работы многих пользователей с одной картой нужно заблокировать некоторый регион этой карты, что приводит к необходимости блокировки целых таблиц в СУБД.
Классические транзакции в теории баз данных называют также ещё короткими транзакциями, чтобы подчеркнуть, что процесс ввода данных в СУБД обычно занимает немного времени. При этом пока выполняется транзакция одним пользователем, работа другого пользователя должна быть заблокирована, чтобы не нарушить целостность базы данных.
В ГИС же требуется выполнять длинные транзакции, в течение которых пользователь может изменять состояние множества взаимосвязанных слоёв карты. При этом в процессе редактирования многие геометрические ограничения целостности могут нарушаться. По окончании ввода данных (для завершения длинной транзакции) пользователь должен привести базу данных (карту) опять в допустимое состояние. Длинная транзакция может выполняться сколько угодно долгое время (дни и даже недели). Очевидно, что во время ввода данных одним пользователем нельзя блокировать всю базу данных от изменений другими пользователями на столько большое время.
|
|
|
С другой стороны, возможность хранения геометрии совместно с атрибутикой в базе данных принесла бы определенные преимущества, но только если бы удалось решить вышеприведенные проблемы.
В конце концов, всё это привело к разработке различных расширений и надстроек над обычными СУБД, позволяющих создавать полноценные пространственные базы данных, удовлетворяющие всем современным требованиям ГИС. Консорциум разработчиков языка SQL ввёл в последний стандарт языка SQL 3 соответствующие разделы, регламентирующие основы работы с пространственными базами данных.
Самым главным достоинством современных пространственных баз данных является то, что в них можно тесно интегрировать геометрию, атрибутику и поведение объектов. Всё это соответствует основным принципам объектно-ориентированного подхода, являющегося сейчас основным при создании любых программных систем.
В настоящее время наибольшее распространение получили две надстройки над промышленными СУБД, реализующие требования стандарта SQL 3 и тесно интегрированные с ведущими мировыми ГИС. Это ArcSDE (Spatial Database Engine) компании ESRI, Inc (США) и SpatialWare компании MapInfo, Inc (США).
Модель геобазы данных ArcSDE 8.x/9.x является логическим развитием топологической модели данных (покрытия), позволяя создавать при необходимости и аналоги нетопологической модели шейп-файлов. Кроме того, модель геобазы позволяет создавать сети, определять пространственные отношения между объектами, и вводить новые объектно-ориентированные сущности.
Одним из наиболее заметных достижений ArcSDE является введение технологии версий, предназначенных для выполнения «длинные транзакции», и позволяющих отказаться от традиционных блокировок в регионах.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое пространственный объект?
2. Какие бывают модели пространственных данных?
3. Что такое ЦММ, ЦМР?
4. В чем заключается разница между топологической и нетопологической моделями данных?
5. Как представляются объекты в растровой модели данных?
6. Какие модели данных используются для моделирования рельефа?
7. Что такое геореляционная модель данных?
8. Что такое геобаза данных и каковы её основные преимущества перед традиционными моделями данных в файловом исполнении?
|
|
|
