Тема 1. Функциональные возможности ГИС Занятие 3. Базы данных и системы управления ими в ГИС

Цель занятия: студент должен получить представление о базах данных в ГИС и системе управления ими.

ПЛАН ЛЕКЦИИ Ведение 1. База данных в ГИС и требования к ней. 2. Структуры баз данных в ГИС. 3. Системы управления базами дан- ных в ГИС. 4. Заключение.

1. Капралов, Е.Г. Основы геоин- форматики. В двух книгах. [Текст] / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.А. Ти- кунов / Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, Книга 1, гл. 4, § 4. Список литературы

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ Понятие базы данных. Разновидности баз данных. Понятие и функции СУБД. Особенности применения СУБД в ГИС.

ВВЕДЕНИЕ Совокупность цифровых данных о пространственных объектах обра- зует множество пространственных данных и составляет содержание баз географических данных. Сегодня вы познакомитесь со структурой баз данных и СУБД в ГИС..

1. База данных в ГИС и требования к ней База данных - совокупность циф- ровых данных, организованных по оп- ределённым правилам, устанавлива- ющим общие принципы описания, хранения и манипулирования дан- ными. Базы данных ГИС (пространствен- ные базы данных) содержат наборы данных о пространственных объек- тах.

Пользователь ГИС видит реальный мир через призму тематической базы данных. Содержащиеся в ней данные должны возможно полнее и точнее отражать описываемый предмет и его характеристики. Представление дан- ных должно учитывать типы их воз- можных преобразований. В связи с пространственной формой организа- ции базы данных в ГИС, она должна удовлетворять ряду требований.

База данных должна быть: согласованной по времени (хранящиеся в ней данные должны соответствовать определённому вре- мени, быть актуальными); полной, достаточно подробной для предполагаемого создания ГИС или географической карты; данные должны содержать все необходимые сведения для осуществления анализа или математико-картографического моделирования исследуемого объек- та или явления;

позиционно точной, совмес- тимой с другими данными, которые могут добавляться в неё; достоверной, правильно отража- ющей характер явлений (это требует тщательно отбирать включаемые в неё атрибуты явлений); легко обновляемой; доступной для любых пользо- вателей.

2. Структуры баз данных в ГИС. Эффективное решение задач пространственного анализа сущест- венно зависит от структуры организа- ции пространственных данных. Это еще один формализм, который озна- чает способ представления множест- ва пространственных данных в памя- ти компьютера.

Компьютеры не мыслят, как мы, не оперируют непосредственно с ви- зуальными или графическими объек- тами, данные в компьютерной среде имеют цифровой вид. Эта совокуп- ность цифровых данных о простран- ственных объектах образует множест- во пространственных данных и составляет содержание баз географи- ческих данных.

Процесс проектирования базы данных (БД) состоит из трёх уровней: концептуального, логического и физического.

На концептуальном уровне разра- батывается концептуальная модель БД, которая включает: описание и определение рассматриваемых объ- ектов; выбор способов представ- ления географических объектов в БД; выбор базовых типов пространст- венных объектов (точки, линии, поли- гоны, ячейки растра) и др.

На этом уровне определяется и содержание БД, зависящее от сути рассматриваемого явления, характера его пространственного распростране- ния и задач, для которых создаётся БД. Задачами могут быть: создание карты, серии карт, карт для много- кратного или многоцелевого исполь- зования. Концептуальный уровень не связан с определёнными програм- мными средствами.

Логический уровень определяется существующими программными сред- ствами и практически не зависит от технического обеспечения. На этом уровне происходит выбор логической структуры элементов БД в соответ- ствии с системой управления базами данных (СУБД), используемой в прог- раммном обеспечении.

Наиболее распространёнными ло- гическими структурами (моделями) баз данных являются иерархическая, сетевая и реляционная. Иерархическая. Во многих случа- ях существует взаимосвязь между данными, называемая отношением «один ко многим».

Это отношение подразумевает, что каждый элемент данных имеет прямую связь с некоторым числом т.н. «потомков» и, конечно, каждый такой потомок, в свою очередь, может иметь связь со своими потомками и т.д. такого рода связь делает доступ к данным простым и эффективным.

Такая модель базы данных хоро- шо иллюстрируется иерархической системой классификации растений и животных, называемой таксономией. Например, животные делятся на поз- воночных и беспозвоночных. В свою очередь, позвоночные имеют подмно- жество, называемое млекопитающи- ми.

Млекопитающие могут быть раз- делены на подгруппы. Структура похожа на генеалогическое дерево. В иерархической модели записи данных образуют древовидную струк- туру, при этом каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне.

Доступ к любой записи осущест- вляется строго по определенным «веткам» и узлам такого дерева. Ветвление основано на формальных ключевых признаках, которые опреде- ляют продвижение по этой структуре от одной ветви к другой.

Иерархические модели хорошо подходят для задач с явно выражен- ной иерархически соподчиненной структурой информации. Но они обладают низким быстродействием, трудно модифицируемы. Например, если информации о ключевом призна- ке недостаточно, то вы не сможете продвигаться по дереву.

Главным преимуществом такой системы является то, что в ней легко искать, она хорошо определена, эф- фективна с точки зрения организации машинной памяти. Такая БД может легко расширяться добавлением новых ветвей и формулированием новых правил ветвления.

Для создания иерархической структуры необходимо знание все- возможных вопросов, которые могут задаваться, поскольку эти вопросы используются как основа для разработки правил ветвления и ключей. Иерархическая модель базы данных показана на рис. 1.

Рис. 1. Иерархическая модель базы данных Области Города РОССИЯ Субъекты Федерации

Сетевая структура. Сетевые БД используют отношение «многие к многим», при котором один элемент может иметь многие атрибуты, при этом каждый атрибут связан со мно- гими элементами.

Например, исследуемый участок земной поверхности может иметь много квадратов, в каждым из которых могут быть связаны нес- колько животных и растительных ви- дов, причём каждый вид может при- сутствовать в нескольких квадратах.

Для реализации таких отношений вместе с каждым элементом данных может быть связана специальная переменная, называемая «указате- лем» (pointer), которая направляет нас ко всем другим элементам данных, связанным с этим.

То есть каждый отдельный элемент данных может быть прямо связан с любым местом базы данных, без введения отношения «предок- потомок». Указатели определяют местополо- жение других записей, связанных с ними. Сетевая модель базы данных показана на рис. 2.

Областной центр Рис. 2. Сетевая модель базы данных

Сетевые структуры обычно рас- сматриваются как усовершенствова- ние иерархических структур, т.к. они менее жесткие и могут представлять отношение «многие ко многим». Поэтому они допускают гораздо большую гибкость поиска, нежели иерархические структуры.

Их главным недостатком является то, что в крупных БД ГИС количество указателей может стать очень боль- шим, требуя значительной затраты памяти. Такие модели БД трудно редакти- ровать, например, удалять записи, так как вместе с данными можно удалить и указатели. Подобные модели хоро- шо работают в случае решения сете- вых, коммуникационных задач.

В иерархической и сетевой моде- лях БД для поиска конкретной записи сначала необходимо определить путь доступа к этой записи, а затем просмотреть все записи, находящиеся на этом пути.

Реляционые БД наиболее попу- лярны. Они имеют табличную структу- ру: строки соответствуют одной запи- си об объекте, а столбцы содержат однотипные характеристики всех объ- ектов.

Разнообразные способы индек- сации данных существенно сокраща- ют время поиска и запроса к данным. Атрибуты объектов группируются в виде т.н. «отношений». Пример реля- ционной базы данных приведён в табл. 1.

Таблица 1. Пример реляционной базы данных Город Числен - ность населе - ния, млн. чел Координата Х Координата Y Страна Амстердам1,86 4, ,373040Голландия Вашингтон3,22-76, ,890910США Вена1,8816, , Австрия Лондон11,1 -0, ,487910Великобритания Москва13,137, ,764230Россия

Реляционные БД основаны на наборе математических принципов, называемых реляционной алгеброй, которая устанавливает правила проек- тирования и работы таких систем.

Поскольку реляционная алгебра основывается на теории множеств, каждая таблица отношений функцио- нирует как множество, и первое пра- вило гласит, что таблица не может иметь строку, которая полностью сов- падает с какой-либо другой строкой.

Поскольку каждая из строк уни- кальна, одно или несколько полей мо- гут использоваться для определения критерия поиска. Так, примером использования одного поля может быть выбор уникального личного номера ИНН, номера телефона, дом. адреса и др., которые имеются в других колонках той же таблицы при выборе определенного имени.

Такой критерий поиска называ- ется «первичным ключом» для поиска значений в других полях. Всякая стро- ка таблицы должна иметь уникальное значение в колонке первичного ключа. Реляционные системы ценны тем, что позволяют собирать данные в простые таблицы, при этом задачи организации данных также просты.

Чтобы мы могли установить реля- ционные соединения каждая таблица должна иметь хотя бы одну общую колонку с другой таблицей, с которой мы желаем установить такое соедине- ние. Реляционные БД поддерживаю- тся следующими СУБД: dBase, INFO, ORACLE, INFOR-MIX

Физический уровень связан с ап- паратными и программными средс- твами. Определяется объем хранимой информации, необходимые объёмы оперативной и долговременной памя- ти компьютера, рассматриваются воп- росы структурирования файлов на носителе информации для обеспе- чения программного доступа к дан- ным, тип представления данных.

3. Системы управления базами данных в ГИС Базы данных представляют собой совокупности специальным образом организованных наборов данных, хра- нящихся на внешних или внутренних носителях.

Сложность работы с множеством файлов, в которых хранятся данные, требует особой организации управ- ления, которое реализуется СУБД. СУБД – комплекс программ и язы- ковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных.

СУБД выполняют различные опера- ции с данными: ввод, хранение, мани- пулирование, обработку запросов, по- иск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостности и защиту от потери или несанкционированного дос- тупа.

Повышенные требования к СУБД в ГИС по сравнению с традиционной формой их использования связаны с различием в представлении позици- онной и атрибутивной составляющей информации.

Функции СУБД: - управление данными во внешней памяти; - управление буферами оператив- ной памяти; - операции над БД; - обеспечение надежности хране- ния данных в БД; - поддержка языка управления БД.

Функция управления данными во внешней памяти обеспечивает орга- низацию структуры внешней памяти для хранения данных и ускорения доступа к ним. Обычно в СУБД созда- ётся собственная система именования объектов БД

Управление буферами оператив- ной памяти. БД ГИС имеют объем, значительно превышающий объём оперативной памяти. Для того, чтобы СУБД не зависела от скорости работы устройств внешней памяти организу- ется система буферов оперативной памяти с определёнными правилами замены и обновления буферов.

Последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое, называется транзак- цией. При выполнении транзакции СУБД либо фиксирует произведённые ею изменения в БД во внешней памяти, либо не производит никаких изменений. Каждая транзакция начи- нается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения.

СУБД должна выполнять функ- цию обеспечения надежности хране- ния данных в БД, т.е. обеспечивать восстановление последнего согласо- ванного состояния БД после любого программного или аппаратного сбоя.

Для восстановления БД нужна некоторая избыточная информация. Для поддержания такой информации ведётся журнал изменений БД. Журнал – недоступная для пользова- теля часть БД, в которую поступают записи обо всех изменениях в базе данных.

Т.к. для работы с базами данных используются специальные языки, то СУБД должна обеспечить поддержку этих языков. В настоящее время наиболее распространены реляцион- ные СУБД, стандартным языком кото- рых является язык SQL (Structured Query Language).

Этот язык позволяет манипули- ровать данными реляционной БД. Компилятор языка SQL преобразует имена объектов в идентификаторы на основании специально поддерживае- мых служебных таблиц-каталогов.

Специальные операторы этого языка позволяют определять запросы к столбцам БД. Язык SQL содержит все средства, необходимые для работы с БД, и обеспечивает базовый пользовательский интерфейс с ба- зами данных.

Структура СУБД содержит три компоненты: командный язык для выполнения операций с данными (ввод, вывод, манипуляции), интер- претирующую систему (или компи- лятор) для обработки команд и пере- вода их на язык машины, интерфейс пользователя для формирования запросов к БД.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е На занятии вы - познакомились с понятием базы данных ГИС и предъявляемыми к ним требованиями; - узнали об уровнях процесса про- ектирования баз данных;

- познакомились с наиболее рас- пространёнными логическими струк- турами (моделями) баз данных; - получили представление о фун- кциях и структуре систем управления базами данных.