Организация баз данных геоинформационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Организация баз данных геоинформационных систем



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.

Способ организации данных в геоинформационной системе очень сильно влияет на производительность системы, например, при выполнении запроса к базе данных или визуализации на экране монитора. Возможность работать с большими объемами данных или точными данными по большим территориям, удобство редактирования и обновления данных, возможности организации многопользовательской работы в режиме редактирования, создания распределенных по сети баз данных - это все тоже связано в первую очередь с организацией данных и уже во вторую - с конкретным программным обеспечением.

Модели и форматы данных в ГИС в целом устроены гораздо сложнее, чем в других типах программного обеспечения. Это обусловлено тем, что необходимо поддерживать связь между атрибутивной и пространственной информацией, и с тем, что природные объекты очень разнообразны, т.е. имеют различные геометрические типы, как с четкими границами, так и с нечеткими границами, связанные с характеризующими их числовыми и нечисловыми признаками.

Ошибки в выборе модели данных могут сказаться решающим образом на возможности реализации в геоинформационной системе необходимых функций и их расширения их в будущем, а также эффективности выполнения проекта с экономической точки зрения. От выбора модели данных напрямую зависит ценность формируемых баз данных географической и атрибутивной информации.

В связи с этим выбор модели данных для создания ГИС и ее дальнейшего эффективного функционирования является актуальной задачей.

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.

Важная составная часть ГИС - БД, в которых содержится тематическая информация. В связи со стремительно уменьшающейся стоимостью запоминающих устройств хранение информации в ЭВМ стоит дешевле, чем на бумажных носителях.

Впервые понятие "база данных" появилось в начале 60-х годов. До этого времени данные представлялись в виде простых последовательных файлов на магнитной ленте и зависели от программ обработки. Если менялись организация данных или тип запоминающего устройства, программисту приходилось заново переписывать программу, существовали многочисленные версии одного и того же файла. Это приводило к очень высокой степени дублирования данных, их избыточности.

В базах данных совокупность взаимосвязанных хранящихся вместе данных организована так, что их использование оптимально для одного или нескольких приложений; данные независимы от программ, использующих эти данные; для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в БД применяют общий управляемый способ. Данные структурируются таким образом, чтобы была обеспечена возможность дальнейшего наращивания приложений.

Основная идея организации структуры базы данных заключается в том, чтобы максимально нормализовать их, т. е. разбить на смысловые и функциональные группы.

При организации базы данных различают:

- тип данных (картографические и атрибутивные (описательные));

- структуру данных (топология и слои);

- модель данных (иерархические, сетевые, реляционные, гибридные);

- форму предоставления пространственных данных (векторную, растровую, трехмерную).

Существует два главных типа данных в ГИС: картографические и атрибутивные (описательные).

Картографические данные - это картографическая информация, хранящаяся в цифровой форме. Данные формируются по географическим объектам, описываемым на карте. Большую часть этих объектов можно классифицировать на точки, линии и полигоны.

Точка представляет собой объект, для которого требуется только географическое местоположение (например, широта/долгота). Примером характеристик точек могут служить места расположения колодцев, реперов и т. д.

Линия состоит из серии связанных друг с другом точек и имеет только длину. Примером характеристики линейного объекта могут служить дорога, просека, трубопровод и т. д.

Полигон - это площадь, ограниченная замкнутой линией. Полигон расположен на плоскости и имеет два размера: длину и ширину. В качестве образца характеристики полигона можно привести участки с определенным типом почвы, здания, озера, леса, неиспользуемые земельные участки и т. д. [1]

К данным, используемым в ГИС, относится описательная информация, которая хранится в базе данных об объектах (точка, линия, полигон), расположенных на карте. Описательную информацию называют атрибутом. Формально все объекты представляют с помощью их описания набором характеристик, а их хранение - в соответствующих графических и параметрических базах данных. Выделяют три группы признаков (характеристик) описания объектов: идентификационные, классификационные, выходные.

Идентификационные характеристики служат для однозначного определения месторасположения объекта на карте и его опознания. К ним относятся название географического объекта, координаты, род объекта и т. д.

Классификационные характеристики служат для количественного и качественного описания объекта, и используют их для получения справок об объектах. Они являются основой для получения производных характеристик путем математической обработки (качественный и количественный анализ, моделирование и т. д.).

Выходные характеристики содержат информацию об источниках и датах получения соответствующих данных по каждой из характеристик для любого объекта. Назначением данной группы признаков является обеспечение возможности определения достоверности поступающей информации.

Одна из основных идей, воплощенная в традиционных ГИС, - это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными при раздельном их хранении и частично при раздельной обработке.

Идентификаторы предназначены для осуществления связи картографических и атрибутивных данных, так как в большинстве ГИС эти характеристики объектов обрабатываются раздельно. Пользователь может указать на объект, например курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных и, наоборот, по информации в базе определит графический объект.

Как отмечалось, пространственные данные в современных ГИС представлены в двух основных формах: векторной и растровой.

Векторная модель данных основывается на представлении карты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур.

Растровая модель данных основывается на представлении карты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов.

Векторные модели используют в ГИС для предоставления информации, которую в дальнейшем нужно обрабатывать (обновлять, корректировать, удалять). Растровые модели используют в качестве подложки для дальнейшей векторизации картографического изображения.

Растровая модель дает информацию о том, что расположено в той или иной точке территории, а векторная модель - о том, где расположен тот или иной объект.

Растровые модели - это самые простые из всех имеющихся, в которых данные о районе можно представить как набор отдельных картографических слоев, т. е. как набор данных, характеризующих один показатель для каждой позиции в пределах ограниченного географического ареала. В одном слое каждая пространственная позиция характеризуется лишь одним элементом информации, при наличии нескольких элементов требуется создать несколько слоев. Типичные растровые базы данных содержат до 100 слоев (матрица, сетка, растр, массив), обычно имеющих сотни тысяч ячеек.

Характерные показатели слоя - его разрешение, ориентация и зона (зоны).

Под разрешением понимают (обычно прямоугольный) линейный размер наименьшего участка географического пространства, для которого имеются данные.

Ориентация - это угол между направлением на север и положением колонок растра.

Зона картографического слоя включает соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковое значение. Это могут быть: участки землевладения; административно-территориальные единицы (регионы, муниципальные образования); озера или острова; ареалы типов почв или растительности и т. д.

Основные характеристики зоны - ее значение и положение. Значение - это элемент информации, хранящийся в данном слое для соответствующей ячейки (или элемента растра). Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента географического пространства в растре (ячейка, элемент растра, ячейка сети). [2]

Векторная модель ГИС базируется на векторах (в отличие от занимающих все пространство растровых структур). Основной элемент этих ГИС-точка, а объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями. В некоторых системах точки можно соединять, используя дуги окружностей. Ареалы (полигоны) задаются наборами линий.

Векторные данные исторически используются в большинстве систем ГИС и CAD для предоставления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в анализе путем манипулирования. Объекты хранятся в виде точек и линий, связанных геометрически и математически. Эти связи означают, что информация может толковаться как серия индивидуальных точек, на основе которой также можно образовывать новые сложные структуры данных. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию, например, формировать базы данных по типу почв, характеристикам гидрологической сети или жилых строений. Такая информация обычно хранится в сопутствующих базах данных.

В ГИС, применяемых в системе управления земельными ресурсами, используются как растровые, так и векторные модели.

Важнейшей современной тенденцией являются соединение растровых и векторных систем, показ векторных данных, наложенных на растровую основу. При этом источником растровых данных может быть файл ГИС (например, изображение, полученное с помощью дистанционных методов, или файл сканирования плоского изображения).

С помощью векторных и растровых ГИС можно сформировать зоны: охранную вокруг озер и водотоков, шумового загрязнения вдоль дорог, транспортной напряженности, загрязнения подземных вод вокруг свалки отходов и пр.

Условия хранения данных разнятся при растровой и векторной системах. Простейший метод хранения растровых данных - применение одной позиции (т. е. Один-два байта памяти) для каждой ячейки. Это неэффективный метод, хотя его и применяют в некоторых системах. В таких системах существуют строгие ограничения числа рабочих строк и столбцов.

Кроме того, необходимы различные методы сжатия файлов, наиболее распространенный из которых - групповое кодирование. Степень сжатия зависит от пространственной изменчивости данных. При обработке очень сложных данных групповое кодирование дает отрицательный результат. Упаковка и распаковка данных дают лишь небольшое преимущество по сравнению с их по-ячейным хранением.

Для эффективного выполнения задач создания методов ввода, обновления, обеспечения файлового хранения и контроля за доступом пользователя к файлам вывода данных требуется создать гибкую и хорошо организованную ГИС.



1. ПОДХОДЫ К ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ: ТРАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД; ПОДХОД НА ОСНОВЕ БМ

Обработка (преобразование) информации - это процесс изменения формы представления информации или её содержания. Обрабатывать можно информацию любого вида, и правила обработки могут быть самыми разнообразными.

В результате обработки имеющейся (входной) информации мы получаем новую (выходную) информацию.

Во многих задачах бывает заранее известно правило, по которому следует осуществлять преобразование входной информации в выходную. Это правило может быть представлено в виде формулы или подробного плана действий.

Обработка информации - это решение информационной задачи, или процесс перехода от исходных данных к результату.

Процесс обработки информации не всегда связан с получением каких-то новых сведений. Например, при переводе текста с одного языка на другой. Обработка информации, связанная с изменением её формы, но не изменяющая содержания, происходит при систематизации информации, поиске информации, кодировании информации. [3]

Обработка информации - это:

- представление и преобразование информации из одного вида в другой в соответствии с формальными правилами;

- процесс интерпретации (осмысления) данных;

- процесс преобразования к виду, удобному для передачи или восприятия (кодирование, декодирование и т.д.);

- процесс преднамеренного искажения или изменения структуры данных, изменение числовых значений данных и т.д.

Обработка информации заключается в различных преобразованиях самой информации или формы ее представления:

- извлечение новой информации из данной путем логических рассуждений, например, раскрытие преступления по собранным уликам

- изменение формы представления информации, например, перевод текста с одного языка на другой или шифровка (кодирование) текста;

- сортировка информации, например, упорядочение списка фамилий по алфавиту;

- поиск информации, например, поиск телефона в телефонной книге или поиск иностранного слова в словаре.

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ БАЗ ДАННЫХ

Базу данных (БД) можно определить как унифицированную совокупность данных, совместно используемую различными задачами в рамках некоторой единой автоматизированной информационной системы (ИС).

Предметной областью принято называть часть реального мира, подлежащую изучению с целью организации управления в этой сфере и последующей автоматизации процесса управления. В рамках данной книги для нас в первую очередь представляют интерес предметные области, так или иначе связанные со сферой экономики и финансов.

Объектом называется элемент информационной системы, сведения о котором хранятся в базе данных. Иногда объект также называют сущностью (от англ, entity). Классом объектов называют их совокупность, обладающую одинаковым набором свойств.

Атрибут - это информационное отображение свойств объекта. Каждый объект характеризуется некоторым набором атрибутов.

Ключевым элементом данных называются такой атрибут (или группа атрибутов), который позволяет определить Значения других элементов-данных. Запись данных (англ, эквивалент record) - это совокупность значений связанных элементов данных.

Первичный ключ - это атрибут (или группа атрибутов), который уникальным образом идентифицируют каждый экземпляр объекта (запись). Вторичным ключом называется атрибут (или группа атрибутов), значение которого может повторяться для нескольких записей (экземпляров объекта). Прежде всего, вторичные ключи используются в операциях поиска записей.

Процедуры хранения данных в базе должны подчиняться некоторым общим принципам, среди которых в первую очередь следует выделить:

- целостность и непротиворечивость данных, под которыми понимается как физическая сохранность данных, так и предотвращение неверного использования данных, поддержка допустимых сочетаний их значений, защита от структурных искажений и несанкционированного доступа;

- минимальная избыточность данных обозначает, что любой элемент данных должен храниться в базе в единственном виде, что позволяет избежать необходимости дублирования операций, производимых с ним.

Программное обеспечение, осуществляющее операции над базами данных, получило название СУБД - система управления базами данных. [4]

Модели организации данных

Набор принципов, определяющих организацию логической структуры хранения данных в базе, получил название модели данных. Модели баз данных определяются тремя компонентами:

- допустимой организацией данных;

- ограничениями целостности;

- множеством допустимых операций.

В теории систем управления базами данных выделяют модели четырех основных типов: иерархическую, сетевую, реляционную и объектно-реляционную.

Терминологической основой для иерархической и сетевой моделей являются понятия: атрибут, агрегат и запись. Под атрибутом (элементом данных) понимается наименьшая поименованная структурная единица данных. Поименованное множество атрибутов может образовывать агрегат данных. В некоторых случаях отдельно взятый агрегат может состоять из множества экземпляров однотипных данных, или, как еще говорят, являться множественным элементом. Наконец, записью называют составной агрегат, который не входит в состав других агрегатов. В иерархической модели все записи, агрегаты и атрибуты базы данных образуют иерархически организованный набор, то есть такую структуру, в которой все элементы связаны отношениями подчиненности, и при этом любой элемент может подчиняться только одному какому-нибудь другому элементу. Такую форму зависимости удобно изображать с помощью древовидного графа (схемы, состоящей из точек и стрелок, которая связна и не имеет циклов). Пример иерархической структуры базы данных приведен на рис. 2.1

Рис. 2.1 Схема иерархической модели данных

Типичным представителем семейства баз данных, основанных на иерархической модели, является Information Management System (IMS) фирмы IBM, первая версия которой появилась в 1968 г.

Концепция сетевой модели данных связана с именем Ч. Бахмана. Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Схема сетевой модели данных

Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями, точнее, из набора экземпляров записей заданных типов (из допустимого набора типов) и набора экземпляров из заданного набора типов связи. Примером системы управления данными с сетевой организацией является Integrated Database Management System (IDMS) компании Cullinet Software Inc., разработанная в середине 70-х годов. Она предназначена для использования на "больших" вычислительных машинах. Архитектура системы основана на предложениях Data Base Task Group (DBTG), Conference on Data Systems Languages (CODASYL), организации, ответственной за определение стандартов языка программирования Кобол. [5]

Среди достоинств систем управления данными, основанных на иерархической или сетевой моделях, могут быть названы их компактность и, как правило, высокое быстродействие, а среди недостатков - неуниверсальность, высокая степень зависимости от конкретных данных.

3. ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ В ГИС

ГИС как системы обработки пространственно-временной информации относятся к классу информационных систем. Они имеют общие, присущие всему классу, и индивидуальные, присущие только ГИС, свойства. К особенностям ГИС следует отнести наличие больших объемов хранимой в них информации.

Рис. 3.1 Концептуальная схема организации данных в ГИС

Кроме того, они отличаются специфичностью организации и структурирования моделей данных. ГИС характеризуются разнообразием графических данных со специфическими их частями и связями. В частности, карта может быть рассмотрена как двухмерная аналоговая модель, отображающая трехмерную поверхность (Рис. 3.2).

Рис. 3.2

Используя процедуры абстракции, определим более общую модель геоинформационных данных как абстракцию данных, которые содержатся на земной поверхности. Такой подход требует выделения основных типов данных и их многочисленных связей.

Одной из основных моделей в первых ГИС был набор имен и характеристик в сочетании с множеством именованных данных, местонахождение которых задается координатами. Эта простая модель не содержала каких-либо семантических данных, помогающих пользователю при работе с базами данных. Дальнейшие исследования привели к необходимости развития и усложнения такой модели. Другими словами, возникла потребность создания общей модели данных ГИС и ее основных частей для оптимальной обработки в базах данных и эффективного описания объектов.

Данные реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического.

Пространственный аспект связан с определением местоположения, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности от одного временного среза до другого. Примером временных данных служат результаты переписи населения. Тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

Все измеримые параметры моделей геоинформационных данных подпадают под одну из этих характеристик: место, время, предмет. Затруднительно исчерпывающим образом описать сразу все три эти характеристики. Поэтому при построении моделей данных на основе наблюдений явлений реального мира один параметр считают "неизменным", изменения другого "задаются" и при этом "измеряют" изменения третьего параметра. [6]

Составные части ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.

Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными 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. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, 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.

Классификация ГИС

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

- полнофункциональные ГИС общего назначения;

- специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой-либо предметной области;

- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.

Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

- закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

- открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

- глобальные (планетарные);

- общенациональные;

- региональные;

- локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации:

- общегеографические;

- экологические и природопользовательские;

- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.).

Кроме того, ГИС можно классифицировать по типам представления географической информации. Выделяют два типа ГИС, в которых используются разные модели представления данных:

- ГИС на основе растровой модели представления данных. В таких ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта;

- ГИС на основе векторной модели представления данных. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел.

Следует отметить, что современные геоинформационные системы обычно работают как с векторной, так и с растровой моделями представления данных.

Рассмотрим преимущества растровой и векторной моделей.

Растровая модель:

1. Картографические проекции просты и точны, т.е. любой объект неправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра.

2. Непосредственное соединение в одну картину снимков дистанционного зондирования (спутниковые изображения или отсканированные аэрофотоснимки).

3. Поддерживает большое разнообразие комплексных пространственных исследований.

4. Программное обеспечение для растровых ГИС легче освоить и оно более дешевое, чем для векторных ГИС.

Векторная модель:

1. Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.

2. Топология местности может быть детально описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефтетрубопроводы, канализационную систему.

3. Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные объекты.

4. Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов при масштабировании зоны просмотра.

Рис. 3.3 Растровая и векторная модели пространственных данных

Области применения геоинформационных систем

ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков. В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов, как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии дорожной сети и пропускной способности позволяет строить действительно оптимальные маршруты.

ГИС позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.

В связи с развитием мобильных компьютеров, ГИС все в большей мере перемещаются из офиса прямо на место выполнения полевых работ. Беспроводные мобильные устройства с поддержкой системы глобального позиционирования (GPS) широко используются для доступа к наборам данных полевых измерений и другой ГИС-информации. Мобильные ГИС как один из важных рабочих инструментов используется пожарными службами, туристическими фирмами для прокладки маршрутов, инженерно-техническими бригадами, геодезистами, землемерами, коммунальными службами, военными и другими.

ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие научные горизонты. Возможность визуализации карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, которые позволяют проводить научные наблюдения и их анализ.

Разработчиками создан доступ к развитой ГИС-логике с целью выполнения аналитических и пространственных запросов к центральной корпоративной базе геоданных. Например, необходим доступ к функциям, реализующим развитую ГИС - логику для:

- определения местоположения событий вдоль линейных объектов с помощью системы линейных координат.

- геокодирования и определения местоположения адресов.

- выполнения трассировки по инженерным и коммунальным сетям.

- буферизации, наложения и извлечения пространственных объектов.

На сегодняшний день в мире разработаны и используются сотни разнообразных ГИС-пакетов, а на их базе созданы десятки тысяч ГИС-систем. Самые мощные - американские. Есть и отечественные, но далекие от совершенства и имеющие пока незначительное распространение и применение.

ГИС была создана в первую очередь для географии и под географию, однако сейчас на Западе ГИС используется в огромном числе управленческих структур, в различных фирмах, на предприятиях, в военных ведомствах, в научных и образовательных учреждениях. ГИС-системы и ГИС-технологии нашли очень широкое применение в многообразных сферах и направлениях территориальной деятельности:

- в кадастрах (земельном, водном, лесном, недвижимости и т.д.);

- в градостроении и муниципальном управлении;

- в проектировании, строительстве, эксплуатации объектов;

- в геологических исследованиях;

- в разработке и эксплуатации различных месторождений;

- в сельском, лесном и водном хозяйстве;

- в изучении и прогнозе погоды;

- в здравоохранении;

- в природопользовании и при экологическом мониторинге;

- в торговле и маркетинге;

- в бизнесе, управлении финансами и банковском деле;

- в планировании и прогнозировании;

- в обороне, безопасности и при чрезвычайных ситуациях;

- в политике и управлении государством;

- в науке и образовании и т.д. [7]

Этим перечнем не исчерпывается весь круг направлений деятельности, со своими задачами и вопросами, которые испытывают устойчивый интерес к ГИС и геоинформационным технологиям. ГИС нужна практически везде, где используется территориально распределенная информация и есть необходимость территориального анализа, территориальной оценки и территориального прогноза.

4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ ГИС

Система управления базами данных (СУБД) - совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных. геоинформационных база данные модель

Основные функции СУБД:

- управление данными во внешней памяти (на дисках);

- управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;

- журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;

- поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Состав СУБД

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

- ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию;

- процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных, и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода;

- подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД.

Сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы

Классификации СУБД

По модели данных:

Примеры: иерархические, сетевые, Реляционные, Объектно-ориентированные, Объектно-реляционные

По степени распределённости:

- Локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютер;

- Распределённые СУБД (части СУБД могут размещаться не только на одном, но на двух и более компьютерах).

По способу доступа к БД:

Файл-серверные

В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок.

Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на процессор файлового сервера.

Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость или невозможность централизованного управления; затруднённость или невозможность обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. Применяются чаще всего в локальных приложениях, которые используют функции управления БД; в системах с низкой интенсивностью обработки данных и низкими пиковыми нагрузками на БД.

На данный момент файл-серверная технология считается устаревшей, а её использование в крупных информационных системах - недостатком.

Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro. [8]

Клиент-серверные

Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно.

Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу.

Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность.

Примеры: Oracle Database, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL, Cachй, ЛИНТЕР.

Встраиваемые

Встраиваемая СУБД - СУБД, которая может поставляться как составная часть некоторого программного продукта, не требуя процедуры самостоятельной установки. Встраиваемая СУБД предназначена для локального хранения данных своего приложения и не рассчитана на коллективное использование в сети.

Физически встраиваемая СУБД чаще всего реализована в виде подключаемой библиотеки. Доступ к данным со стороны приложения может происходить через SQLлибо через специальные программные интерфейсы.

Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, Firebird Embedded, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.

Стратегии работы с внешней памятью

СУБД с непосредственной записью

В таких СУБД все изменённые блоки данных незамедлительно записываются во внешнюю память при поступлении сигнала подтверждения любой транзакции. Такая стратегия используется только при высокой эффективности внешней памяти.

СУБД с отложенной записью

В таких СУБД изменения аккумулируются в буферах внешней памяти до наступления любого из следующих событий:

Контрольная точка.

Нехватка пространства во внешней памяти, отведенного под журнал. СУБД создаёт контрольную точку и начинает писать журнал сначала, затирая предыдущую информацию.

Останов. СУБД ждёт, когда всё содержимое всех буферов внешней памяти будет перенесено во внешнюю память, после чего делает отметки, что останов базы данных выполнен корректно.

Нехватка оперативной памяти для буферов внешней памяти.

Такая стратегия позволяет избежать частого обмена с внешней памятью и значительно увеличить эффективность работы СУБД.

5. ПРИМЕНЕНИЕ СУБД В ГИС

ГИС, как и любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме.

На первом этапе производится "коллекционирование" как географической (цифровые карты, изображения), так и атрибутивной информации. Собранные данные являются наполнением двух баз данных. Первая БД хранит картографические данные, вторая же наполнена информацией описательного характера.

На втором этапе система обработки пространственных данных обращается к базам данных для проведения обработки и анализа востребованной информации. При этом весь процесс контролируется системой управления БД (СУБД), с помощью которой можно осуществлять быстрый поиск табличной и статистической информации. Главным результатом работы ГИС являются разнообразные карты. [9]

Для организации связи между географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия. Первый подход - геореляционный или, как его еще называют, гибридный. При таком подходе географические и атрибутивные данные организованы по-разному. Между двумя типами данных связь осуществляется посредством идентификатора объекта. Географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД.

Следующий подход называется интегрированным. При этом подходе предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственной, так и атрибутивной информации. В этом случае ГИС выступает в качестве надстройки над СУБД.

Третий подход называют объектным. Плюсы этого подхода в легкости описания сложных структур данных и взаимоотношений между объектами. Объектный подход позволяет выстраивать иерархические цепочки объектов и решать многочисленные задачи моделирования.

Объектно-реляционный подход, являющийся синтезом первого и третьего подходов. [10]



ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы - это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности, которые используются для ее управления. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС. Сам термин изменяется в зависимости от интеллектуальных, культурных, экономических и даже политических целей.

ГИС - цифровая модель реального пространственного объекта местности в векторной, растровой и других формах.

Функции ГИС заключаются в сборе, системной обработке, моделировании и анализе пространственных данных, их отображении и использовании при подготовке и решении управленческих решений.

ГИС предназначены для создания карт на основе получаемой информации на конкретный момент времени.

С научной точки зрения ГИС - метод моделирования и познания природных и социально-экономических систем. ГИС - это система, применяемая для исследования природных, общественных и природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки.

В технологическом аспекте ГИС средство сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координационной географической информации. Таким образом, ГИС можно рассматривать как систему технологических средств, программного обеспечения и процедур, предназначенную для сбора пространственных данных, их анализа, моделирования и отображения в целях решения комплекса задач по планированию и управлению. [11]

С производственной точки зрения ГИС - комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для обеспечения управления и принятия решений, причем важнейший элемент этого комплекса - автоматические картографические системы. ГИС использует географические данные, а также непространственные данные и располагает операционными возможностями, необходимыми для пространственного их анализа. Назначение ГИС - обеспечение процесса принятия решений по оптимальному управлению ресурсами, организации функционирования транспорта и розничной торговли, использование объектов недвижности, водных, лесных и других пространственных ресурсов.

Таким образом, ГИС можно одновременно рассматривать как метод научного исследования, технологию и продукт ГИС-индустрии.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Карпова, И.П. Базы данных: Учебное пособие / И.П. Карпова. - СПб.: Питер, 2013. - 240 c.

2. Агальцов, В.П. Базы данных. В 2-х т. Т. 2. Распределенные и удаленные базы данных: Учебник / В.П. Агальцов. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 272 c.

3. Агальцов, В.П. Базы данных. В 2-х т. Т. 1. Локальные базы данных: Учебник / В.П. Агальцов. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 352 c.

4. GEOPROFI.RU: Электронный журнал по геодезии, картографии и навигации [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.geoprofi.ru/

5. Об утверждении Положения об осуществлении государственного мониторинга земель. Постановление Правительства РФ от 28 ноября 2002 г. № 846 [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://base.garant.ru/2159182/

6. Мещанинова Е.Г. Управление земельными ресурсами с применением ГИС-технологий [текст]// Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации - 2011 г.

7. Земельный кодекс Российской Федерации от 25.10.2001 N 136-ФЗ [электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.consultant.ru/

8. Бугаевский Л.М. Геоинформационные системы [текст]: Учебное пособие для вузов. / Л.М. Бугаевский, В.Я. Цветков - Москва, 2000 - 222 с.

9. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии [текст]- М.: Финансы и статистика, 1998 - 288 с.

10. Об информации, информационных технологиях и о защите информации. Федеральный закон РФ от 27.07.2006г. № 149-ФЗ [электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.consultant.ru/

11. Официальный сайт Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии (Росреестр) [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://rosreestr.ru/site.

Размещено на Allbest.ru

...