ТЕМА 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДАННЫХ В ГИС

Гис использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения. Гис использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения. В существующих ГИС используются различные способы для организации реальности посредством моделей данных. Каждая модель более пригодна для определенных типов данных и областей применения, поэтому при необходимости решения большого числа задач следует использовать разные модели. В существующих ГИС используются различные способы для организации реальности посредством моделей данных. Каждая модель более пригодна для определенных типов данных и областей применения, поэтому при необходимости решения большого числа задач следует использовать разные модели. В процессе функционирования ГИС все многообразие входных данных – информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения – преобразуется в единую общую модель (набор моделей), хранимую в базе данных. В процессе функционирования ГИС все многообразие входных данных – информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения – преобразуется в единую общую модель (набор моделей), хранимую в базе данных.

Интегрированная информационная основа базы данных не является просто суммой информационных моделей частей объекта, хотя включает данные о связях и дополнительную служебную информацию. Интегрированная информационная основа базы данных не является просто суммой информационных моделей частей объекта, хотя включает данные о связях и дополнительную служебную информацию. Целостность, непротиворечивость и оптимальность этой общей модели ГИС обусловливается обоснованным выбором составляющих частей модели. Целостность, непротиворечивость и оптимальность этой общей модели ГИС обусловливается обоснованным выбором составляющих частей модели. Модели объектов ГИС, хранящиеся в базах данных, состоят из более простых частей, которые принято называть моделями данных. В свою очередь, модели данных в ГИС имеют сложную многоуровневую структуру, в которой нижние уровни состоят из элементарных (атомарных) моделей данных. Модели объектов ГИС, хранящиеся в базах данных, состоят из более простых частей, которые принято называть моделями данных. В свою очередь, модели данных в ГИС имеют сложную многоуровневую структуру, в которой нижние уровни состоят из элементарных (атомарных) моделей данных.

Из элементарных моделей конструируются более сложные. Конструирование, или проектирование сложных моделей на основе более простых, зависит от выбора структуры сложной модели, от типа связей в сложной модели и от качественных характеристик элементарных моделей. Из элементарных моделей конструируются более сложные. Конструирование, или проектирование сложных моделей на основе более простых, зависит от выбора структуры сложной модели, от типа связей в сложной модели и от качественных характеристик элементарных моделей. Проблема организации базы данных в ГИС сводится к решению ряда задач, первой из которых является организация моделей объектов. Это определяет необходимость предварительного анализа свойств элементарных моделей данных, составляющих более сложные модели в БД, и выбора базовых теоретических моделей с учетом конкретной предметной области задач ГИС. Такой подход позволяет оптимизировать создание информационной основы и процессы обработки данных в БД. Проблема организации базы данных в ГИС сводится к решению ряда задач, первой из которых является организация моделей объектов. Это определяет необходимость предварительного анализа свойств элементарных моделей данных, составляющих более сложные модели в БД, и выбора базовых теоретических моделей с учетом конкретной предметной области задач ГИС. Такой подход позволяет оптимизировать создание информационной основы и процессы обработки данных в БД.

4.1. Основные понятия моделей данных Реальная ГИС используется для решения заданного круга задач в конкретной области применения. Реальная ГИС используется для решения заданного круга задач в конкретной области применения. называется подмножество (часть реального мира), на котором определяется набор данных и методы манипулирования с ними для решения конкретной задачи или исследований. Предметной областью называется подмножество (часть реального мира), на котором определяется набор данных и методы манипулирования с ними для решения конкретной задачи или исследований. Для построения модели объекта в виде составляющих частей и определение связей между этими частями применяют методы (процедуры) абстракции, которые тоже образуют целый ряд понятий: Для построения модели объекта в виде составляющих частей и определение связей между этими частями применяют методы (процедуры) абстракции, которые тоже образуют целый ряд понятий: – процедура структуризации (типизации) данных. Различают два вида абстракции: обобщение и агрегация. абстракция – процедура структуризации (типизации) данных. Различают два вида абстракции: обобщение и агрегация.

Обобщениев свою очередь подразделяется на две категории: собственно обобщение и классификация. Обобщение в свою очередь подразделяется на две категории: собственно обобщение и классификация. – процедура соотнесения множества типов одному типу соотносится с понятием: «есть часть…»; собственно обобщение – процедура соотнесения множества типов одному типу соотносится с понятием: «есть часть…»; – процедура соотнесения множества знаков одному типу. классификация – процедура соотнесения множества знаков одному типу. – процедура конструирования объекта из других базовых объектов; соотносится с понятием «есть некоторые…». Агрегация – процедура конструирования объекта из других базовых объектов; соотносится с понятием «есть некоторые…». будем понимать набор данных для формирования объекта из его частей на основе процедур агрегации. Под агрегатными данными будем понимать набор данных для формирования объекта из его частей на основе процедур агрегации. Процедура, обратная агрегации, называется. Она применяется для разбиения агрегатной модели на составные части. Процедура, обратная агрегации, называется пошаговой детализацией. Она применяется для разбиения агрегатной модели на составные части.

Рис Схема структурирования данных с применением процедур абстракции: а) прямые процедуры; б) обратные процедуры Рис Схема структурирования данных с применением процедур абстракции: а) прямые процедуры; б) обратные процедуры

Рис Пример построения модели на основе процедур обобщения

Рис Пример построения модели на основе процедур агрегации

4.2. Инфологическая модель Инфологическая модель является базовой моделью данных, используемой в ГИС. Она дает формализованное описание проблемной области независимо от структур данных. Инфологическая модель является базовой моделью данных, используемой в ГИС. Она дает формализованное описание проблемной области независимо от структур данных. Одно из главных понятий инфологической модели – объект. Это понятие связано с событиями: возникновение, исчезновение и изменение. Объекты могут быть атомарными или составными. Одно из главных понятий инфологической модели – объект. Это понятие связано с событиями: возникновение, исчезновение и изменение. Объекты могут быть атомарными или составными. Атомарный объект – это объект определенного типа, дальнейшее разложение которого на более мелкие объекты внутри данного типа невозможно. Атомарный объект – это объект определенного типа, дальнейшее разложение которого на более мелкие объекты внутри данного типа невозможно.

Составные объекты включают в себя множества объектов, кортежи объектов. Составные объекты включают в себя множества объектов, кортежи объектов. Целью инфологического моделирования является формализация объектов реального мира предметной области и методов обработки информации в соответствии с поставленными задачами обработки и требованиями представления данных. Целью инфологического моделирования является формализация объектов реального мира предметной области и методов обработки информации в соответствии с поставленными задачами обработки и требованиями представления данных. Инфологическая модель носит описательный характер и может включать в себя ряд компонентов (рис. 4.6.). Инфологическая модель носит описательный характер и может включать в себя ряд компонентов (рис. 4.6.). В настоящее время не существует общепринятых способов ее построения. Используют аналитические методы, методы графического описания и системный подход. В настоящее время не существует общепринятых способов ее построения. Используют аналитические методы, методы графического описания и системный подход.

Рис Основные компоненты инфологической модели

4.3. Иерархическая модель Иерархическая модель относится к наиболее простым структурно определенным моделям. В этой модели данных связи между ее частями являются жесткими, а ее структурная диаграмма должна быть упорядоченным деревом. При этом, для описания различных уровней модели используют следующие понятия: корень, ствол, ветви, листья и лес. Иерархическая модель относится к наиболее простым структурно определенным моделям. В этой модели данных связи между ее частями являются жесткими, а ее структурная диаграмма должна быть упорядоченным деревом. При этом, для описания различных уровней модели используют следующие понятия: корень, ствол, ветви, листья и лес. Обобщенная иерархическая модель представляет собой описание процесса или системы, состоящей из совокупности уровней, связанных одной дугой (рис. 4.7). Обобщенная иерархическая модель представляет собой описание процесса или системы, состоящей из совокупности уровней, связанных одной дугой (рис. 4.7).

Рис Иерархическая модель проектирования ГИС

В иерархических моделях данных существует два внутренних ограничения: 1) все типы связей должны быть фукнциональными; 2) структура связей должна быть древовидной. Следствием этих ограничений является необходимость соответствующей структуризации данных. В силу функциональности связей запись может иметь не более одной исходной записи любого типа, т.е. связь должна иметь жесткий вид – один ко многим. В иерархических моделях данных существует два внутренних ограничения: 1) все типы связей должны быть фукнциональными; 2) структура связей должна быть древовидной. Следствием этих ограничений является необходимость соответствующей структуризации данных. В силу функциональности связей запись может иметь не более одной исходной записи любого типа, т.е. связь должна иметь жесткий вид – один ко многим. Недостатком иерархической модели является снижение времени доступа при большом числе уровней, поэтому в ГИС не используются модели при большом числе уровней (более 10). Однако, иерархические модели довольно устойчиво применяются для составления различного рода классификаторов. Недостатком иерархической модели является снижение времени доступа при большом числе уровней, поэтому в ГИС не используются модели при большом числе уровней (более 10). Однако, иерархические модели довольно устойчиво применяются для составления различного рода классификаторов.

4.4. Квадротомическое дерево Квадротомическое дерево относится к иерархической структуре данных и используется для накопления и хранения географической информации. Квадротомическое дерево относится к иерархической структуре данных и используется для накопления и хранения географической информации. Технология построения квадротомического дерева основана на рекурсивном разделении квадрата на квадранты и подквадранты до тех пор, пока все подквадранты не станут однородными по отношению к значению изображения (цвета) или пока не будет достигнут предопределенный заранее наименьший уровень разрешения. Технология построения квадротомического дерева основана на рекурсивном разделении квадрата на квадранты и подквадранты до тех пор, пока все подквадранты не станут однородными по отношению к значению изображения (цвета) или пока не будет достигнут предопределенный заранее наименьший уровень разрешения. Преимущество такой структуры состоит в том, что регулярное разделение обеспечивает накопление, восстановление и обработку данных простым и эффективным способом. Преимущество такой структуры состоит в том, что регулярное разделение обеспечивает накопление, восстановление и обработку данных простым и эффективным способом.

В современных информационных системах и базах данных наиболее широко представлены реляционные модели. В современных информационных системах и базах данных наиболее широко представлены реляционные модели. Термин «реляционный» указывает прежде всего на то, что такая модель хранения данных построена на взаимоотношении составляющих ее частей, которые удобно хранить в виде таблицы. Таблица состоит из строк и столбцов и имеет имя, уникальное внутри базы данных. Информация в реляционной модели данных представлена в виде совокупности взаимосвязанных таблиц, которые принято называть отношениями и реляциями. Термин «реляционный» указывает прежде всего на то, что такая модель хранения данных построена на взаимоотношении составляющих ее частей, которые удобно хранить в виде таблицы. Таблица состоит из строк и столбцов и имеет имя, уникальное внутри базы данных. Информация в реляционной модели данных представлена в виде совокупности взаимосвязанных таблиц, которые принято называть отношениями и реляциями Реляционная модель

Основными понятиями реляционной модели данных являются: тип данных, домен, атрибут, кортеж, ключ. Основными понятиями реляционной модели данных являются: тип данных, домен, атрибут, кортеж, ключ. называется совокупность значений, не повторяющихся в одном столбце таблицы. Доменом называется совокупность значений, не повторяющихся в одном столбце таблицы. Столбцы отношения называют, им присваиваются имена, по которым к ним затем производится обращение. Столбцы отношения называют атрибутами, им присваиваются имена, по которым к ним затем производится обращение. Список имен атрибутов отношения с указанием имен доменов называется. – это число его атрибутов. Список имен атрибутов отношения с указанием имен доменов называется схемой отношения. Степень отношения – это число его атрибутов. Каждая строка в таблице – это. Кортеж представляет собой множество пар {имя атрибута, значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношений. «Значение» является допустимым значением домена данного атрибута. Каждая строка в таблице – это запись или кортеж. Кортеж представляет собой множество пар {имя атрибута, значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношений. «Значение» является допустимым значением домена данного атрибута. – это подмножество атрибутов, имеющее следующие свойства: Ключ отношения – это подмножество атрибутов, имеющее следующие свойства:

1) уникальную идентификацию; 1) уникальную идентификацию; 2) неизбыточность; 2) неизбыточность; 3) ни один из атрибутов ключа нельзя удалить, не нарушив его уникальность. 3) ни один из атрибутов ключа нельзя удалить, не нарушив его уникальность. В зависимости от количества атрибутов, входящих в ключ, различают простые и сложные (или составные) ключи. В зависимости от количества атрибутов, входящих в ключ, различают простые и сложные (или составные) ключи. На рисунке 4.8 представлен пример реляционной модели. Таблица «Успеваемость» содержит сведения об успеваемости студентов по предмету «Высшая математика». На рисунке 4.8 представлен пример реляционной модели. Таблица «Успеваемость» содержит сведения об успеваемости студентов по предмету «Высшая математика». Каждый столбец таблицы имеет уникальное имя, которое записывается в верхней части таблицы. Любая таблица имеет один или несколько столбцов, значения в которых однозначно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или комбинация столбцов) называются первичным ключом. Каждый столбец таблицы имеет уникальное имя, которое записывается в верхней части таблицы. Любая таблица имеет один или несколько столбцов, значения в которых однозначно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или комбинация столбцов) называются первичным ключом.

Рис Реляционная модель «Успеваемость»

В таблице «Успеваемость» первичным ключом является столбец « студ. билета». В таблице «Успеваемость» первичным ключом является столбец « студ. билета». Взаимосвязь таблиц – важнейший элемент реляционной модели данных. Она поддерживается внешними ключами. Внешний ключ – это атрибут (или множество атрибутов) одного отношения, являющийся ключом другого (или того же самого) отношения. Взаимосвязь таблиц – важнейший элемент реляционной модели данных. Она поддерживается внешними ключами. Внешний ключ – это атрибут (или множество атрибутов) одного отношения, являющийся ключом другого (или того же самого) отношения. В рассматриваемом примере атрибут « студ. билета» иллюстрирует понятие внешнего ключа. В рассматриваемом примере атрибут « студ. билета» иллюстрирует понятие внешнего ключа. Внешние ключи используются для установления логических связей между отношениями. Связь между двумя таблицами устанавливается путем присваивания значений внешнего ключа одной таблицы значениям ключа другой. Внешние ключи используются для установления логических связей между отношениями. Связь между двумя таблицами устанавливается путем присваивания значений внешнего ключа одной таблицы значениям ключа другой.

Помимо таблиц в ГИС могут храниться и другие объекты, такие как экранные формы, отчеты, представления, прикладные программы, работающие с информацией, размещенной в реляционной модели. Помимо таблиц в ГИС могут храниться и другие объекты, такие как экранные формы, отчеты, представления, прикладные программы, работающие с информацией, размещенной в реляционной модели. Данные информационные системы должны быть однозначными и непротиворечивыми, т.е. для них устанавливаются некоторые ограничительные условия, обеспечивающие логическую основу для поддержания корректных значений данных в базе. Ограничения целостности позволяют свести к минимуму ошибки, возникающие при обновлении и обработке данных. Данные информационные системы должны быть однозначными и непротиворечивыми, т.е. для них устанавливаются некоторые ограничительные условия, обеспечивающие логическую основу для поддержания корректных значений данных в базе. Ограничения целостности позволяют свести к минимуму ошибки, возникающие при обновлении и обработке данных. Важнейшими ограничениями целостности данных являются: категорийная целостность и ссылочная целостность. Важнейшими ограничениями целостности данных являются: категорийная целостность и ссылочная целостность.

4.6. Модель «сущность-связь» Модель данных «сущность-связь» (часто называемая также ER-моделью) дает представление о предметной области в виде объектов, называемых сущностями, между которыми фиксируются связи. Модель данных «сущность-связь» (часто называемая также ER-моделью) дает представление о предметной области в виде объектов, называемых сущностями, между которыми фиксируются связи. Основными понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут. Основными понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут. На рис. 4.9 приведена схема проектирования геоинформационной системы, построенная на основе модели «сущность-связь». ER-модели могут рассматриваться как обобщение и развитие иерархических и сетевых моделей, что допускает спецификацию ограничений целостности и непосредственное представление связей типа «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1:М), «многие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:N). На рис. 4.9 приведена схема проектирования геоинформационной системы, построенная на основе модели «сущность-связь». ER-модели могут рассматриваться как обобщение и развитие иерархических и сетевых моделей, что допускает спецификацию ограничений целостности и непосредственное представление связей типа «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1:М), «многие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:N).

Рис Модель «сущность-связь» проекта ГИС: КТС – комплекс технических средств

При построении модели «сущность-связь» следует учитывать разновидность объектов. Объекты могут быть простыми или сложными. Сложные объекты в свою очередь подразделяются на составные, обобщенные и агрегированные. При построении модели «сущность-связь» следует учитывать разновидность объектов. Объекты могут быть простыми или сложными. Сложные объекты в свою очередь подразделяются на составные, обобщенные и агрегированные. ER-модели, в связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных, получили широкое распространение в CASE-средствах, предназначенных для автоматизированного проектирования реляционных баз данных. ER-модели, в связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных, получили широкое распространение в CASE-средствах, предназначенных для автоматизированного проектирования реляционных баз данных.

4.7. Прочие модели дают представление о проблемной области в виде объектов, связанных бинарным отношением «многие ко многим», при этом каждый объект может иметь несколько «подчиненных» и несколько «старших» объектов. Эти модели используют табличные и графовые представления. Сетевые модели дают представление о проблемной области в виде объектов, связанных бинарным отношением «многие ко многим», при этом каждый объект может иметь несколько «подчиненных» и несколько «старших» объектов. Эти модели используют табличные и графовые представления. дают представление о проблемной области объекта в виде бинарных отношений, характеризуемых триадой: объект, атрибут, значение. Эти модели имеют графовое представление в виде В-дерева. Вершина графа соответствует классификационному обобщению данных в типы, называемые категориями. Дуги соответствуют бинарному отношению категорий. Бинарные модели дают представление о проблемной области объекта в виде бинарных отношений, характеризуемых триадой: объект, атрибут, значение. Эти модели имеют графовое представление в виде В-дерева. Вершина графа соответствует классификационному обобщению данных в типы, называемые категориями. Дуги соответствуют бинарному отношению категорий. Семантические сети как модели данных созданы для изучения проблем искусственного интеллекта. Базовые структуры в этих моделях могут быть представлены графом, множество вершин и дуг которого, как для бинарной, так и сетевой модели образует сеть. Семантические сети как модели данных созданы для изучения проблем искусственного интеллекта. Базовые структуры в этих моделях могут быть представлены графом, множество вершин и дуг которого, как для бинарной, так и сетевой модели образует сеть.