Тема 1. Функциональные возможности ГИСЗанятие № 3. Базы данных и системы управления ими в ГИС

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

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

1. Капралов, Е.Г. Основы геоин-форматики. В двух книгах. [Текст] / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.А. Ти-кунов / Под ред. В.С. Тикунова. – М.: Академия, 2004. Книга 1, гл. 4, § 4.
Список литературы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Иерархическая модель базы данных

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

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

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

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

Рис. 2. Сетевая модель базы данных

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

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

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

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

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

Таблица 1. Пример реляционной базы данных

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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