Применение СУБД в геоинформационных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

23

Содержание

Введение

1. Геоинформационные системы

1.1 Основные понятия

1.2 Состав и структура геоинформационной системы

2. Системы управления базами данных

2.2 Функции СУБД

3. Системы управления базами данных в ГИС

3.1 Организация и обработка информации в ГИС с применением СУБД

3.2 Формы представления объектов в геоинформационных системах

3.3 Модели организации пространственных данных в ГИС

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время геоинформационные системы (ГИС) широко используются в различных отраслях науки и промышленности. Геоинформационные технологии позволяют свести воедино табличные, текстовые и картографические данные, демографическую, статистическую, земельную, муниципальную, адресную и другую информацию. Главное преимущество ГИС перед другими информационными технологиями заключено в наборе средств создания и объединения баз данных с возможностями их географического анализа и наглядной визуализации в виде разных карт, графиков, диаграмм, прямой привязке друг к другу всех атрибутивных и графических данных.

Выбор метода организации данных в геоинформационной системе, и, в первую очередь, модели данных, т.е. способа цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чем выбор программного обеспечения. Это обусловлено тем, что модель данных напрямую определяет многие функциональные возможности создаваемой геоинформационной системы и применимость тех или иных технологий ввода. От модели зависит не только пространственная точность представления визуальной части информации, но и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля цифровых карт.

Целью курсовой работы явилось изучение моделей данных и оценка возможностей их применения и использование систем управления базами данных в геоинформационных системах.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

· рассмотреть основы геоинформационных систем;

· выделить основные понятия баз данных и систем управления базами данных, используемые в геоинформационных технологиях;

· рассмотреть основные способы организации и обработки информации в геоинформационных системах;

· рассмотреть основные возможности применения различных СУБД для представления данных в геоинформационных системах.

1. Геоинформационные системы

Появлению первых геоинформационных систем в середине 60-х годов XX века способствовало развитие информационных технологий на базе вычислительной техники. В настоящее время существуют многочисленные определения ГИС, [1]. Одно из которых, геоинформационные системы - информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. [2]

Технология ГИС объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта.

Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, а также с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

В общем смысле автоматизированная информационная система обработки данных - это система, выполняющая процедуры обработки данных для получения информации, полезной для принятия решений. Классическими примерами автоматизированных информационных систем обработки данных являются:

- информационные системы управления фирмой или предприятием;

- банковские информационные системы;

- библиотечные информационные системы;

- автоматизированные системы управления полетами в авиации;

- автоматизированные системы обработки аэрокосмических изображений и другие информационные системы, обслуживающие государственные учреждения и частные фирмы.

ГИС имеет дело с пространственно-временными, географически координированными данными. Географически координированные данные - это данные, привязанные к картографической основе, к карте местности, то есть данные, имеющие либо географические координаты (широту и долготу), либо прямоугольные координаты (X, Y, Z), либо почтовые адреса (почтовые индексы, коды), идентифицирующие местоположение на карте

Одна из ключевых задач, решаемых в ГИС - это создание, ведение и обновление цифровых карт и планов, связывание их с базами атрибутивных данных, обмен данными с другими системами. Требования, которые первоначально предъявляют пользователи к ГИС, варьируют в очень широком диапазоне: от «сохранения существующего фонда традиционных планов по причине ухудшения состояния материала, на котором они были вычерчены, до «интеграции пространственных и связанных с ними данных, постоянно обновляемых по одной и той же территории различными организациями». Как правило, у одних и тех же пользователей по мере освоения ГИС требования меняются содержательно и качественно от простейших к более сложным. Информацию для ГИС могут поставлять самые разнообразные источники: географические карты и планы, нормативные и правовые документы, фотограмметрические данные, результаты полевых испытаний, научные отчеты и др.[3].

1.2 Состав и структура геоинформационной системы

Геоинформационные системы включают в себя пять основных компонентов

· аппаратные средства;

· программное обеспечение;

· данные;

· исполнителей;

· методы.

Аппаратные средства - это компьютер, на котором функционирует ГИС, и все периферийные устройства, которые используются для получения информации, ввода ее в ЭВМ и предоставление пользователю ГИС результатов. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются:

- средства ввода и оперирования географической информацией;

- система управления базой данных;

- инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения);

- графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.

Данные - это наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные или атрибутивные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться различным образом. В процессе обработки данных ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Исполнители - люди, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Существующие и разрабатываемые ГИС могут значительно отличаться друг от друга по возможностям, основным технологиям обработки информации, по требуемой технической конфигурации, по вычислительным ресурсам и др.

Данные являются важным элементом ГИС. Структура ГИС, в основу которой положена компонента, которая играет ключевую роль в функционировании ГИС, представлена на рис 1.1 ГИС любого уровня в системе представляет собой набор следующих функциональных компонентов:

- подсистема сбора данных;

- подсистема базы данных (БД), включающая систему управления базой данных (СУБД);

- подсистема представления, генерации и обработки картографических данных;

- пользовательский интерфейс и подсистема анализа данных [4].

По оценкам специалистов в области геоинформационных технологий затраты на сбор и ввод данных при реализации ГИС-проектов в 5-10 раз превышают затраты на аппаратно-программное обеспечение ГИС. Существующие в настоящее время технологии автоматизированного ввода графических и текстовых данных обеспечивают ввод порядка 20% общего объема данных, поэтому особое значение приобретает дальнейшее развитие автоматизированных методов сбора и ввода всех типов данных в рамках ГИС.

Рисунок 1.1 Структура ГИС [4]

Основная функциональная задача подсистемы сбора данных - создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления в пространственных границах. Большие потенциальные возможности для сбора данных в ГИС открывает GPS (Global Positioning System) [5] - технология, созданная на основе космических систем глобальной навигации ГЛОНАСС (РОССИЯ) [6] и NAVSTAR (USA) [5]. Эта технология предназначена для сбора высокоточной цифровой информации о местности, фактически топографических данных: географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности, при этом точность измерений достигает нескольких сантиметров.

Для обеспечения возможности импорта цифровых данных от различных источников подсистема сбора и ввода данных ГИС должна иметь программные средства разработки интерфейсов для ввода данных различных форматов. Вообще создание норм по стандартизации и унификации форматов данных, цифровых моделей местности, картографических документов, интерфейсов имеет решающее значение для успешной реализации подсистемы сбора данных ГИС.

Подсистема базы данных (БД), включающая систему управления базой данных (СУБД), - одна из основных компонент ГИС, в значительной степени определяющая эффективность работы ГИС. СУБД ГИС осуществляет автоматический поиск информации в БД, необходимой для обработки пользовательских запросов. Возможности СУБД, а также структура БД и объем содержащейся в ней информации фактически определяет уровень сложности пользовательских запросов, которые система может обработать.

Большинство современных ГИС имеет две отдельных СУБД для графических и семантических данных. При этом в качестве СУБД семантических данных используется одна из широко распространенных СУБД реляционного типа (Oracle, Ingres, FoxBase, FoxPro, PARADOX и другие). Выбранная СУБД семантических данных должна иметь интерфейс с СУБД графических (картографических) данных, которая должна обеспечить: хранение и манипулирование такими графическими объектами, как точечные, линейные и площадные; многоуровневое (послойное) представление графических данных; произвольную выборку и отображение любых фрагментов графических изображений.

Такой подход к реализации подсистемы БД ГИС имеет ряд недостатков:

· необходимость назначения топологических связей между графическими объектами и их семантическими описаниями;

· недостаточная гибкость табличной организации семантических данных;

· неспособность распознавать иерархические отношения классов объектов.

Указанные недостатки можно устранить путем применения объектно-ориентированного подхода при проектировании подсистемы БД ГИС. В объектно-ориентированной БД каждый объект содержит некоторую структурированную описательную информацию в произвольном формате и описание методов и правил, определяющих как эта информация может быть использована. Важно отметить, что при таком подходе возможно манипулирование различными типами данных; - реляционными таблицами, текстом, графикой и изображениями.

Характерной особенностью ГИС-технологии является обработка пространственно-временных, географически координированных данных. Отсюда важная роль картографических материалов и цифровых изображений как источников данных при создании геоинформационных фондов ГИС, а также подсистемы представления, генерации и обработки картографических данных. Ядром этой подсистемы является Система цифрового картографирования (СЦК), исполняющая функции ввода, редактирования оперативного просмотра и интерактивных измерений цифровых карт и изображений. СЦК должна обеспечивать комфортную среду, как для разработчиков основных компонент ГИС, так и для пользователей. Важной здесь представляется технология совмещения растрового и векторного форматов представления данных. Назначение СЦК - комплексное создание и редактирование цифровых карт, элементов их информационного обеспечения (системы условных знаков и классификатора информации) с целью получения и обновления картографических данных и создания моделей геоинформационных процессов.

Пользовательский интерфейс, как подсистема ГИС, должен отвечать требованиям физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации под конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользовательский интерфейс должен обеспечить многооконное отображение графических данных с возможностью открывать неограниченное количество окон, связывать с окнами, как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленных в разных масштабах. Эффективность и быстродействие пользовательского интерфейса должны обеспечиваться за счет максимального использования возможностей, предоставляемых аппаратным обеспечением (пространственное и цветовое разрешение графических адаптеров, графические сопроцессоры) и системным программным обеспечением (многооконные графические среды, интегрированные оболочки программирования). Разумеется, пользовательский интерфейс должен иметь доступ к встроенной и развитой системе помощи (HELP - системе).

К средствам подсистемы анализа ГИС (отработки запросов пользователя) относятся различные процедуры обработки данных, манипулирования пространственными и семантическими данными, выполняемые при отработке пользовательских запросов. К таким средствам относятся, например, операции наложения графических контуров, средства анализа сетевых структур, выделение объектов по заданным признакам, методы и алгоритмы статистического анализа данных, обработка аэрокосмических изображений и т.п. ГИС должна обладать большим набором средств анализа пространственных данных, возможностью их расширения и дополнения, возможностью полного или частичного их использования при решении конкретной задачи в рамках ГИС-технологии. Для решения специфических для геоинформационной технологии задач, система должна обладать также возможностью создания программных интерфейсов с другими системами и программными пакетами, например, системами автоматизированного проектирования (AutoCAD), программными пакетами разработки экспертных систем (Nexpert), пакетами обработки изображений (PCI, Corel Graphics) и т.п. Многие современные ГИС включают различные пакеты анализа данных.

Всякая прикладная программа является отображением какой - то части реального мира и поэтому содержит его формализованное описание в виде данных. Крупные массивы данных размещают, как правило, отдельно от исполняемого программы, и организуют в виде Базы данных [7]. Начиная с 60-х годов для работы с данными, стали использовать особые программные комплексы, называемые системами управления базами данных (СУБД) [8]. Системы управления базами данных отвечают за:

· физическое размещение данных и их описаний;

· поиск данных;

· поддержание баз данных в актуальном состоянии;

· защиту данных от некорректных обновлений и несанкционированного доступа;

· обслуживание одновременных запросов к данным от нескольких пользователей (прикладных программ).

2. Не планируемый запрос - это, наоборот, специальный запрос, необходимость которого не была предусмотрена заранее. Физический проект БД может подходить, а может и не подходить для рассматриваемого специального запроса. В общем, получение возможной наибольшей производительности для не планируемых запросов представляет собой одну из проблем СУБД. (Подробнее эта проблема будет обсуждаться в следующих частях книги.)

Безопасность и целостность данных. СУБД должна контролировать пользовательские запросы и пресекать попытки нарушения правил безопасности и целостности данных.

Восстановление данных и дублирование. СУБД или другой связанный с ней программный компонент, обычно называемый администратором транзакций, должны осуществлять необходимый контроль над восстановлением данных и дублированием.

2.3 Модели данных СУБД

Хранимые в базе данных имеют определенную логическую структуру [9], то есть, представлены некоторой моделью, поддерживаемой СУБД. К числу важнейших относятся следующие модели данных:

· иерархическая;

· сетевая;

· реляционная;

· объектно-ориентированная.

В иерархической модели данные представляются в виде древовидной (иерархической) структуры. Она удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией и громоздка для информации со сложными логическими связями.