Лекция Базы и банки данных ГИС
Лекция Базы и банки данных ГИС
Сердцевиной любой ГИС является база данных (БД)
Эта структура содержит информацию упорядоченную определенным образом и соответствующую требованиям, которые предъявляются к данным ГИС.
Требования к данным
1. Непрерывность данных- должны обеспечивать функционирование ГИС в течении всего времени ее эксплуатации.
2. Данные должны быть актуальными, т. е. соответствовать состоянию объектов на данный момент времени.
3. Данные должны быть защищенными от преднамеренных и непреднамеренных искажений, которые могут повлиять на результат использования этих данных.
4. Гибкость – должны предусматривать возможность преобразования и перестройки для удовлетворения изменяющихся потребностей пользователей.
5. Многоцелевое использование. Данные по возможности должны иметь характер обеспечивающий их использование для решения различных задач и достижения разноплановых целей.
В составе ГИС базы и банки данных обеспечивают Выполнение следующих функций:
1. Географическое представление пространственных объектов, т. е. каждый набор данных в БД соответствует объекту, явлению, процессу, проходящему в реальной действительности.
Эти группы данных могут состоять из следующих элементов:
А) элементов векторного изображения: точка, линия, полигон Б) элементы растрового изображения. В)трехмерная поверхность. Г) каталоги координат, как результат геодезических измерений. Д) таблицы атрибутивных данных, характеризующих свойства объектов.
2. Описание свойств пространственных объектов. Описание содержится в виде табличных данных, имеющих жесткие связи с пространственными объектами в ГИС.
Жесткая связь обеспечивается заданием ключевых полей в различных БД.
3. Представление пространственных отношений в ГИС - задаются путем организации топологии и путем организации сетей. Топология используется для контроля за общими границами между пространственными объектами, для определения ценности данных для поддержки топологических запросов и топологической навигации.
4. Организация взаимоотношений между объектами в Б. Д. под термином объект понимается не только, как объект реальной действительности, так и данные о нем. Базы и банки данных позволяют выполнять, классифицировать объекты, присваивая им связи подчиненные определенной логической структуры.
Логическая структура:
- 1:1 один объект БД содержит одну группу пространственных данных.
- 1:m – одной группе координат соответствует иерархически подчиненная группа объектов.
- n:m множеству групп координат соответствует множество взаимосвязанных объектов.
Избранная логика организации взаимоотношений определяет структуру БД или количество полей, которые отводятся для заполнения информации по данным объектам.
5. Создание ключей банков данных. Атрибут объекта, который используется для его идентификации и упорядочивания в пределах класса, Называется ключом.
Ключ дающий возможность однозначно идентифицировать объект в пределах БД, называется Первичных ключ .
Вторичных ключ - позволяет получить данные одновременно о группе и о классе данных из базы.
База данных- совокупность данных организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и и манипулирования данными.
Хранение данных в БД обеспечивает централизованное управление, соблюдение стандартов безопасности целостности данных, устраняет противоречивость данных, позволяет избежать избыточность.
Работа с БД осуществляется с помощью СУБД ( система управления базой данных) путем ввода, пополнения, редактирования данных и работы с данными путем создания запросов к базам данных.
Банк данных (БнД)- Информационная система централизованного хранения и коллективного использования данных, содержащихся в БД.
БнД, кроме совокупности БД, содержит комплекс программных средств, позволяющих осуществлять управление существующими данными.
Технология создания БД
В ГИС БД может быть создана, как с использованием табличных форм и специальных институтов Гис, так и с помощью любых стандартных программных средств, предназначенных для создания БД . Если БД создаются вне ГИС с помощью специальных программ для конвертации данных путем создания ключевых полевых для связи атрибутивных и пространственных данных. Данные в базу вносятся виде файла БД, который состоит из отдельных записей, содержащих информацию, хранящуюся в отдельной строке таблицы, поэтому количество записей в файле БД соответствует количеству строк в таблице. Записи осуществляются в соответствующих Полях, количество которых определяется количеством графов в таблице. Записи могут содержаться в разной форме в виде символов или в виде цифр – data/ string.
Основные этапы создания базы данных:
1. Описание структуры хранящихся в БД записей описывается такое количество строк и полей, какое необходимо для файла БД.
2. Ввод данных и корректировка структуры.
3. Редактирование данных: внесение, исправление, дополнение, ликвидация дублированных и ошибочных данных.
4. Актуализация - введение БД, добавление записей соответствующих современному состоянию объекта и удаление данных, корректура формы и вида записей.
5. Использование БД :
Формирование стандартных запросов, образование шаблонов ответов на запрос и обработка данных в соответствии с существующими запросами.
Логические модели банков данных
Любой объект, описанный в форматах пространственных данных, имеет атрибутику ,жестко-привязанную к пространственным данным и хранящуюся в таблицах БД. Поля и строки атрибут данных подлежат корректировки, исправлению, дополнению. Такая организация данных ГИС позволяет получить мгновенную информацию об атрибутах пространственных объектов. Эта информация получается путем включения коммуникационных структур, которые создаются на основании запросов, написанных на специальном языке SQL - structured query language - язык структурированных запросов. Необходимость получение информации с наибольшей скоростью включение коммуникаций должно опираться на структурную модель поиска информации, которая позволит наиболее эффективно найти и предоставить информацию пользователю. Структурирование данных в базах и в банках данных называется логической моделью построения баз и банков данных.
Выделяются следующие виды логических моделей баз и банков данных:
1. Иерархические
2. Сетевые модели
3. Относительные модели.
4. Объектно-ориентированные.
Иерархические модели
Являются наиболее старыми и наиболее эффективно-эксплуатируемыми в базах и банках данных. Имеют структуру дерева, в которой можно выделить корневые - исходные объекты и конечные.
Объекты в данной логической модели описываются соотношениями, каждая основная материнская база данных может иметь множество дочерних БД, каждая дочерняя или подчиняющаяся БД, может принадлежать только одной главной материнской базе. Каждая иерархическая модель может иметь многоуровенную организацию, в основе которой лежит древовидная иерархическая структура наиболее наглядно иллюстрируемая моделью дихотомического строения.
Достоинства иерархической модели данных
1.Легкая для понимания
2.Обеспечивается быстрый доступ к данным с помощью ключа объекта. Наилучший эффект от использования иерархической модели данных достигается при кодировании объектов на следующих иерархических структурах административного устройства.
Недостатки
Данные в этой модели сохраняются долго и много раз, изменение данных приводит к изменению всей структуры логической модели.
Сетевые модели БД и БнД
В отличии от иерархических моделей, сетевые модели используют разные типы взаимоотношений между объектами БД. Наряду со стандартным отношением : 1:М – один к множеству, используется M:N - множество к множеству. В этом случае дочерний объект может принадлежать множеству материнских БД, а также множество дочерних объектов может быть взаимосвязано с множеством материнских БД.
Достоинства
Гибкость модели, способность быстро перестраиваться при изменении данных.
Недостатки
Сложность при перестроении, при уничтожении какого-либо объекта БД.
Уничтожение объекта влечет за собой пересмотр всех дочерних и материнских БД, имеющих сетевые связи с данным объектом, поэтому более всего применяется следующий вид :
Реляционные ( относительные ) модели
Описывающие отношения между объектами, в которых отношения записываются в виде таблицы. При создании эксплуатации этих моделей используются следующие термины и определения:
Реляция- Это совокупность данных и взаимоотношений между ними, которые служат для записи названий и соответствующих атрибутов.
Тупель- упорядоченное название атрибута, записываемое один под другим в двумерной таблице, где они представлены строками с однозначным ключом тупелем.
Домен- это значение или количество различных полевых значений атрибута.
Ключ- представляет собой атрибут или комбинацию атрибутов со свойствами, которые обеспечивают возможность из всех вариантов выбрать только одно уникальное значение.
|
IDпол
|
Кол-во узлов
|
Направл
Дуги
|
|
А
В
С
D
|
3
4
3
1
|
1,2,3
2,7,5,0,6
3,5,4
6
|
|
ID дуг
|
Лев пол
|
Прав пол
|
От узла
|
До узла
|
|
1
2
3
4
5
6
7
|
А
А
С
О
С
В
В
|
О
В
А
С
В
D
О
|
С
B
B
D
D
E
D
|
A
C
A
A
B
E
C
|
Принципы существования или функционирования реляционных БД
1.Все данные организованы в таблицы
2.Таблицы имеют строки, содержащие атрибутивную информацию.
3.Все строки имеют одинаковое количество колонок или столбцов, каждая колонка содержит информацию определенного типа ( целые числа, текст, даты, денежные е. д. и т. п.)
4. Реляции или отношения используют для организации взаимодействия строк одной таблицы со строками др. таблицы. Реляция осуществляется через общую колонку, которая именуется общим ключом.
5. для таблицы наборов данных существует правило реляционной целостности, подразумевающие единство типов информации в строках и ячейках таблицы, единство типов значений и др. требования.
6. Принцип существования функций и операторов функций и операторов SQL для работы с таблицами и данными, содержащимися в таблицах в соответствии с теми типами данных, которые хранятся в таблицах.
Обычно пространственные данные в этих БД представлены в виде векторных моделей.
Объектно-ориентированные БД
Включают три класса БД:
1.Класс структурно объектно –ориентированные модели данных.
2. Относительно объектно-ориентированные модели данных.
3. Полные объектно-ориентированные модели данных.
Разница состоит в гибкости.
1 класс. Структурно-ориентированные модели
В этих моделях данных элементарная частица информации рассматривается, как объект в банке данных.
Операторы, используемые для этого объекта, являются определениями. Относительные объекты ориентирования модели данных позволяют использовать абстрактные типы данных и идентификаторы.
Полные объектно-ориентированные
Модели содержат возможности обоих классов. Объект в этих база данных состоит из набора данных, характеризующих его состояние и определенное количество описаний операций и методов, которые он может использовать. Объект может быть связан с другими объектами, характер связи может быть установлен 1:М или 1:1. После установления атрибутов объект становится уникальным, по пути исследования свойств объекты могут организовываться в классы, путем добавления новых функций и корректировки существующих можно устанавливать надклассы объектов, т. е. организовывать неиерархическую системы.
Достоинства объектно–ориентировочной модели
1.Объект является оптимальным образом для записей моделей реального мира.
2.Является достаточно гибким для хранения информации о собственном образе жизни и развития.
Недостатки
Такие модели требуют больших затрат времени и занимают огромный объемы памяти.
Основные функции систем управления базами данных
1функция- непосредственное управление данными во внешней памяти. Функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти данных непосредственно входящих в БД и для служебных целей. Например, для ускорения поиска.
С помощью этой функции СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.
2функция- Управление буферами оперативной памяти, эта функция обеспечивает взаимодействие данных, содержащихся в БД, с оперативной памятью и осуществляется путем буферизации части данных в оперативной памяти.
Большинство развитых СУБД поддерживает собственный набор буферов оперативной памяти, независимых от операционной системы, буферизации, что существенно ускоряет работу СУБД.
3 функция. Управление транзакциями ( в землеустройстве означает - совершение сделок) – в БД – последовательность операций над БД, которые СУБД рассматривают, как единое целое. Если транзакция успешно выполняется, СУБД фиксирует изменение БД во внешней памяти. Если транзакция не выполняется (изменения не выполняются ), изменения не фиксируются в состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для подержания логической целостности управления СУБД, т. е. каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения.
4 функция – Журнализация поддерживает основное требование к СУБД, обеспечивая надежность хранения данных во внешней памяти.
Надежность предполагает способность СУБД восстанавливать последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя.
Аппаратные сбои выделяют двух типов:
1 тип - Мягкий сбой – внезапная остановка работы компьютера.
2тип- Жесткий сбой характеризуется потерей информации на носителях внешней памяти.
Программные сбои связанны с аварийным завершением работы СУБД, в результате незавершенной остается транзакция.
Для восстановления БД необходима дополнительная информация. Наиболее распространенным методом поддержанием избыточной информации является ведение журнала изменений БД.
Журнал – особая часть БД недоступная пользователям СУБД, в который поступают записи обо всех изменениях.
Во всех СУБД придерживаются стратегии записи, т. е. запись об изменении любого объекта БД попадает в память журнала раньше, чем измененный объект попадает в память основной части БД.
Самая распространенная операция возврата потерянной информации называется индивидуальный откат транзакции, т. е. выполняются обратные операции, начиная от конца локального журнала транзакции.
Реже случаев жестких сбоев используется журнал и архивная копия БД, которая представляет собой полную копию БД на момент записи в архив.
5 функция. Поддержка языков БД. Большинство БД ориентированы на использование языка SQL и DML - data manipulation language,
SDL - Schema definition Language – был предназначен для управления схемой БД. DML- для манипулирования данными. Язык SQL сочетает средства обоих ранних языков, т. е. позволяет определять схему реляционной БД. И манипулировать данными, содержащимися в БД, кроме того SQL содержит специальные средства определения целостности БД, кроме того специальный набор операторов языка SQL позволяет осуществлять авторизацию доступа к объектам БД, т. е. пользователь создавший таблицу БД, обладает полным набором полномочий по работе с этой таблицей. В число этих полномочий входит передача части полномочий другому лицу или пользователю. Эти полномочия описываются в специальных таблицах. Контроль за соблюдением полномочий осуществляется на языковом уровне.
