Организация баз данных ГИС План лекции 1

Организация баз данных ГИС

План лекции: 1. Базы данных ГИС. Организация данных ГИС. 2. Системы управления базами данных. Использование баз данных.

1. Базы данных ГИС. Организация данных ГИС

База данных (БД) - совокупность цифровых данных, представленных в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами. БД входит и в подсистему ввода данных, и в подсистему хранения и обработки информации, и в подсистему вывода.

n Основной характерной чертой базы данных является независимость организации и хранения данных от прикладных программ, в которых они используются.

Независимость означает, что изменения данных не приводит к необходимости модифицировать прикладные программы и наоборот. т. е. база данных в отличие от обычного файла ориентирована на интегрированные требования разных приложений (задач), а не на одну программу.

База данных имеет следующие важные свойства: n скорость доступа к информации; n полная доступность к информации; n гибкость; n целостность данных.

Цель организации структуры базы данных - максимально нормализовать все данные (разбить на смысловые и функциональные группы).

Организация данных в ГИС При организации базы данных различают: n тип данных n структуру данных n модель данных n форму предоставления пространственных данных

Картографические Топология Атрибутивные Слои Типы данных Структура данных Организация данных в ГИС Модель данных Иерархическая Сетевая Реляционная Объективная Гибридная Формы предоставления данных Векторная Растровая Векторно-растровая Трехмерная

Организация данных в ГИС Тип данных

Организация данных в ГИС Тип данных При использовании ГИС в картографии, в реляционных БД содержатся два типа данных: n графические (картографические) n атрибутивные (описательные или семантические)

Организация данных в ГИС Тип данных Структура предоставления географических данных в ГИС Картографические данные Идентификатор Атрибутивные данные Тип Точка Линия Название Значение атрибута Полигон Местоположение

Организация данных в ГИС Тип данных В графической базе данных хранится так называемая картографическая или метрическая основа карты в цифровом виде. Данные формируются по географическим объектам, описываемым на карте. Большую часть этих объектов можно классифицировать на точки, линии и полигоны.

Организация данных в ГИС Тип данных n 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. n 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.

Организация данных в ГИС Тип данных n 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.

Организация данных в ГИС Тип данных Атрибутивная база данных содержит в себе определенную смысловую нагрузку карты и дополнительные сведения, которые относятся к пространственным данным, но не могут быть прямо нанесены на карту — это описание территории или информация, описывающая качественные характеристики объектов (атрибуты). Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов. Описательную информацию называют атрибутом.

Организация данных в ГИС Тип данных Атрибуты для с. -х. угодий Атрибут Код объекта по классификатору Сенокос Культурно-техническое состояние Площадь, га Периметр, м Значение 1256 Суходольный Заболоченный Заливной Чистый Закочкаренный Закустаренный 12 2133

Организация данных в ГИС Тип данных Формально все объекты представляют с помощью их описания набором характеристик, а их хранение — в соответствующих графических и параметрических базах данных. n Выделяют три группы признаков (характеристик) описания объектов: идентификационные, классификационные, выходные.

Организация данных в ГИС Тип данных группы признаков описания объектов 1. Идентификационные характеристики служат для однозначного определения месторасположения объекта на карте и его опознания. *название географического объекта, координаты, род объекта и т. д.

n Идентификатор — это уникальный номер, присеваемый пространственному объекту слоя автоматически или назначаемый пользователем. Он служит для связи позиционной и непозиционной частей пространственных данных.

Организация данных в ГИС Тип данных группы признаков описания объектов 2. 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.

n n n Классификатор — система сведений об объектах картографирования какой-либо предметной области, выраженная в кодовых обозначениях. Систематизация объектов картографирования осуществляется в соответствии с выбранной классификацией. Классификация объектов картографирования — это система представлений совокупности объектов какой-либо предметной области или сведений о них в виде классов и подклассов в соответствии с избранными признаками.

Организация данных в ГИС Тип данных группы признаков описания объектов 3. 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.

Организация данных в ГИС Структура данных

Организация данных в ГИС Типы структуры данных Топология Слои Структура данных Организация данных в ГИС

Организация данных в ГИС Типы структуры данных n n Существует два типа структуры данных: топология и слои. Топологию применяют для выделения пространственной связи между объектами. Топология обеспечивает связь между точками, линиями и полигонами и обычно не изменяется оператором. Слои применяют для того, чтобы структурировать данные.

Организация данных в ГИС Типы структуры данных n Топологическая информация описывает, как объекты расположены друг относительно друга в пространстве, и обычно оператор ее не изменяет. В ГИС требуется точно определить топологию, для того чтобы выполнять пространственный анализ.

Организация данных в ГИС Типы структуры данных n n Топология включает в себя информацию, какие условные знаки соответствуют определенным объектам, как точки соединены друг с другом и какие точки и линии образуют полигоны. Топологическая информация позволяет пользователю ГИС извлекать информацию, например, о том, какое перекрытие имеют определенные полигоны, находится ли линия внутри полигона, и определять, насколько близко один объект расположен к другому.

Организация данных в ГИС Типы структуры данных n Большинство ГИС позволяют разделять информацию на карте в логические категории, называемые картографическими слоями. n Слои обычно содержат информацию только об одном типе объектов, подобно типу почвы участков, или о небольшой группе связанных объектов, например коммунальные транспортные магистрали (телефонные, электрические и газовые линии)

2. Системы управления базами данных. Использование баз данных в ГИС.

Организация данных в ГИС Модель данных

Организация данных в ГИС Модели данных Организация данных в ГИС Модель данных Иерархическая Сетевая Реляционная Объективная Гибридная

Организация данных в ГИС Модели данных n Создание БД и обращение к ним по запросу осуществляется с помощью СУБД. n СУБД — это комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД.

СУБД поддерживают следующие операции: n n n n n ввод данных, хранение данных, манипулирование (добавление, удаление) данными, обработка запросов, поиск, выборка, сортировка, обновление, сохранение целостности, защита данных от несанкционированного доступа или потери.

Организация данных в ГИС Модели данных Базы данных в зависимости от способа организации данных и их структуры делятся на: n иерархические n сетевые n реляционные.

Организация данных в ГИС Модели данных n Иерархические базы данных устанавливают строгую подчиненность между записями и состоят из упорядоченного набора деревьев (из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева). Тип дерева состоит из одного «корневого» типа записи и упорядоченного набора из нуля или более типов поддеревьев (каждое из которых является некоторым типом дерева). Тип дерева в целом представляет собой иерархически организованный набор типов записи.

Организация данных в ГИС Модели данных Пример типа дерева (схема иерархической БД) Квартал номер Квартал площадь Квартал местоположение Земельный участок номер Земельный участок площадь Земельный участок местоположение Часть участка номер Часть участка площадь Часть участка местоположение

Организация данных в ГИС Модели данных n Сетевые базы данных используют в том случае, если структура данных сложнее, чем обычная иерархия, т. е. простота структуры иерархической базы данных становится ее недостатком. Организация сетевых и иерархических баз данных должна быть жесткая. Наборы отношений и структуру записей необходимо задавать заранее.

Организация данных в ГИС Модели данных Пример сетевой схема базы данных Расположен в квартале Квартал Земельный участок Включает земельные участки Часть участка Состоит из частей

Организация данных в ГИС Модели данных n Реляционная база данных — это набор «плоских» (двумерных) таблиц (отношений — relation), которые состоят из экземпляров записей одинаковой структуры — кортежей, содержащих элементарные данные — атрибуты.

Организация данных в ГИС Модели данных n В реляционной базе данных информация организована в виде таблиц, разделенных на строки и столбцы, на пересечении которых содержатся значения данных. У каждой таблицы имеется уникальное имя, описывающее ее содержимое.

А 1 А 2 А 3 О 1 n для каждого объекта (О 1, О 2, . . . Оn) в столбцах приводятся их характеристики, которые обычно называются атрибутами (А 1, А 2, . . . Аn). О 2 О 3 n Связи между отношениями обеспечиваются перекрывающимися (общими) столбцами.

Организация данных в ГИС Модели данных Структура таблицы реляционной БД № Районный центр Код объекта Площадь района, тыс. га Число жителей, тыс. чел. 1 Пушкинский Пушкин 108 63, 4 158 2 Клинский Клин 106 200, 0 138 3 Каширский Кашира 104 62, 8 74 Подольский Подольск 118 106, 2 75

Организация данных в ГИС Модели данных n Каждая горизонтальная строка этой таблицы представляет отдельный физический объект — один административный район. Она же представлена на карте отдельным графическим объектом. Все строки таблицы представляют все районы одной области. Все данные, содержащиеся в конкретной строке таблицы, относятся к району, который описывается этой строкой.

Организация данных в ГИС Модели данных n n Структура базы данных в общем случае специфична для каждого конкретного проекта. В каждом конкретном случае в результате анализа задач определяется, какие необходимы таблицы, какие они должны содержать строки, какими столбцами перекрываться между собой.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Векторная Растровая Векторно-растровая Трехмерная

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных n n Различают следующие формы представления пространственных данных (т. е. способы цифрового описания пространственных объектов): векторное представление; растровое представление; регулярно-ячеистое представление; квадротомическое представление (квадродерево).

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Растровая модель данных основывается на представлении карты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов. Растровые модели используют в качестве подложки для дальнейшей векторизации картографического изображения.

Растровое представление данных 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1 1 2 2 3 3 3 3 4 4 4 2 2 2 3 3 4 4 4 2 2 4 5 5 8 4 4 4 5 5 5 6 8 8 7 7 7 5 5 5 6 6 8 8 8 7 5 5 5 6 6 6 8 8 8 7 7 7 6 6

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Растровое представление данных n n это представление пространственных объектов в виде совокупности одинаковых по размеру ячеек растра (пикселей) с присвоенными им значениями класса объектов. Каждый пиксель имеет свой номер в зависимости от объекта.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных 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.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных 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.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных n n n Характерные показатели слоя : Разрешение — 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.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных 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.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Векторная модель данных основывается на представлении карты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур. Векторные модели используют в ГИС для предоставления информации, которую в дальнейшем нужно обрабатывать (обновлять, корректировать, удалять).

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных n 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.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Объекты хранятся в виде точек и линий, связанных геометрически и математически. n Эти связи означают, что информация может толковаться как серия индивидуальных точек, на основе которой также можно образовывать новые сложные структуры данных. n

Организация данных в ГИС Способ предоставления данных Точечные объекты n n в векторном формате представляются в виде последовательности записей, каждая из которых содержит три записи (числа): - уникальный идентификационный номер; - значение координаты X; - значение координаты Y. ID X Y 1 x 1 y 1 2 x 2 y 2 . . n xn yn

Организация данных в ГИС Способ предоставления данных Линейные объекты n n n в векторном формате представляются в виде следующей записи, содержащей: - идентификатор (ID N) линии, отрезка; - координатных пар точек; - специального элемента ( «метки» ), позволяющего отделить один отрезок от другого в файле данных. ID X Y 1 x 1 y 1 2 x 2 y 2 . . n xn yn «EN D »

Организация данных в ГИС Способ предоставления данных Векторно-топологическая модель n n n Модель, которая описывает не только геометрию, но и топологию объектов (т. е. отношение между полигонами, дугами и узлами): - узлы — 1, 2, 3; - промежуточные точки — 3, 5, 6; дуги — 1 -2, 2 -4, 4 -2, 4 -1; полигоны — А, Б, В, Г, Д. В 1 2 А 6 Б 3 5 Д Г 4

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Создание базы векторных данных включает следующие этапы: n ввод пространственных данных путем сканирования линий с последующей векторизацией или непосредственно из других цифровых источников; n ввод данных об атрибутах; n увязка пространственных и атрибутных данных.

Организация данных в ГИС Формы предоставления данных Аналитические функции векторной ГИС выше аналогичных функций растровой ГИС по следующим причинам: n n больше операций производится с объектами; размеры, например площадь, вычисляются по координатам объектов, а не путем подсчета ячеек; вычисление площади по полигонам дает большую точность, чем подсчет элементов растра; вычисление периметра более точно, чем подсчет границ элементов растра на ребре зоны.

Организация данных в ГИС Форма предоставления данных Регулярно-ячеистое n n n Цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объектов. Территория разбивается на ячейки правильной геометрической формы (прямоугольной, квадратной, треугольной, гексагональной, трапециевидной и т. д. ). Размер ячеек может быть различным и определяется требуемым пространственным разрешением.

Организация данных в ГИС Форма предоставления данных Квадротомическое n n Квадродерево — это способ представления пространственных объектов в виде иерархической древовидной структуры, основанной на декомпозиции пространства на квадратные участки, каждый из которых делится на четыре вложенных до достижения некоторого уровня (обычно до размера точки растра). За счет квадротомического представления пространственных данных достигается значительная экономия объемов памяти, требуемых для хранения растровых данных. И, что еще более важно, сокращается время доступа к элементам описания пространственных данных.

Квадротомическое представление (квадродерево) треуголь ники точки соседи А 2, 3, 4 В, Д, Е и т. д. . . .

Организация данных в ГИС Форма предоставления данных Модель TIN n n n Предназначена для представления поверхности (например, — поверхность рельефа местности). Это — нерегулярная сеть точек, соединенных между собой отрезками, образующими множество треугольников гранями. Каждый треугольник можно пронумеровать, точки — тоже.

Модель TIN

Базовые принципы организации пространственных данных в ГИС : Принцип послойной организации информации заключается в том, что данные об объектах одного тематического содержания собираются и хранятся в одном файле или одной директории, т. е. в одном тематическом слое. *В растровых моделях всегда используется послойный принцип организации.

Базовые принципы организации пространственных данных в ГИС : Объектно-ориентированный принцип организации данных заключается в том, что хранение данных об объекте одной тематической группы осуществляется в соответствии с их иерархической структурой соподчиненности. Другими словами, в соответствии с их положением, принятым в классификации.

Пример объектно-ориентированной модели организации данных на примере растительного покрова. n Два варианта связи пространственных данных с атрибутивными: Пространственные и атрибутивные данные целиком отделены друг от друга (т. е. хранятся в разных файлах). *Пользователи в этом случае вынуждены иметь дело с двумя системами — графической и СУБД. n Пространственные и атрибутивные данные целиком совмещены.