Гибридные и интегрированные системы

Мы прошли путь усложнения от файловых структур через СУБД к моделям пространственных данных. Теперь нам нужно сделать еще один шаг на пути к законченным системам. Большинство растровых систем просты настолько, что сама модель данных дает относительно полное описание. В векторных же системах существуют два основных подхода к интеграции графических элементов модели данных с БД атрибутов. Полезно рассмотреть эти две модели не только потому, что они различаются в основе, но и потому, что векторные ГИС сейчас доминируют на рынке. Двумя главными типами векторных ГИС являютсяинтегрированные и гибридные системы.*

Рисунок 4.18. Гибридная векторная ГИС с хранением атрибутов во внешней БД.

Файлы графических данных программно связываются с СУБД, хранящей атрибутивную информацию.

Существование гибридной модели данных ГИС — подтверждение того, что хотя ее структуры данных эффективны по отношению к графическим характеристикам объектов, им не достает той же эффективности в управлении атрибутивными данными [Aronson, 1985; Morehouse, 1985]. И наоборот, СУБД общепризнанны как средство управления атрибутивными типами данных, но плохо приспособлены к работе с графическими объектами. Выглядит вполне логичным, что программное объединение этих двух технологий позволит взять лучшее из каждой. Для реализации этого подхода координатные и топологические данные, требуемые для графики, хранятся как отдельный набор файлов (Рисунок 4.18). Таблицы атрибутов, содержащие все необходимые описательные данные для каждого графического объекта, хранятся отдельно либо в других файлах, либо под управлением СУБД общего назначения. Связь между графикой и атрибутами осуществляется через идентификационные коды графических объектов, имеющиеся в графических файлах, и которые также хранятся в отдельной колонке атрибутивной .БД. Благодаря возможности внешнего хранения многих атрибутов для каждого объекта растут аналитические возможности и возможна экономия памяти. В число гибридных входят основанные на САПР системы INTERGRAPH IGDS/DMRS, векторно-топологические. ARC/INFO, GEOVISION, и INTERGRAPH MGE, а также по меньшей мере одна основанная на квадродереве система SPANS. Подробное рассмотрение этих систем выходит за рамки данной книги, и мы отсылаем читателя к справочным работам по ГИС и СУБД [Healey, 1991; Maquire, Goodchild, andRhind.1991].

* Следует различать два смысла термина "гибридные" применительно к ГИС. Им могут обозначаться системы, интегрирующие растровые и векторные данные, а также системы, хранящие графические и атрибутивные данные в различных файлах или графику - в файлах, а атрибуты - под управлением внешней СУБД. Системы с раздельных хранением графики и атрибутов называются также геореляционными.

Другим подходом к хранению графических и атрибутивных данных является интегрированная модель данных. В этом случае ГИС является процессором пространственных запросов, надстроенным над стандартной СУБД, которая используется для хранения как атрибутивной, так и графической информации [Guptill, 1987; Morehouse, 1989]. Интегрированная система хранит координаты объектов карты и атрибуты в разных таблицах одной БД (Рисунок 4.19), которые связываются механизмом, подобным реляционному соединению [Healey, 1991]. Кроме того, атрибуты могут размещаться в тех же таблицах, что и графика.

Рисунок 4.19. Интегрированная ГИС. Для хранения графики и атрибутов может быть организована единая БД.

Существуют два способа хранения координатной информации в реляционных таблицах. В первом записываются отдельные пары координат, представляющие точечные объекты, а также конечные и промежуточные точки линий и границ областей, как индивидуальные атомы, или строки, базы данных. Этот подход удовлетворяет нормальным формам Кодда, но сильно затрудняет поиск, так как каждый графический примитив должен восстанавливаться из атомизированного представления для воссоздания целых полигонов или их групп. Даже при одном только отображении карты выбираются большие группы графических элементов, и эта функция используется чаще, чем пользователи могут думать, просматривая результаты Промежуточных шагов анализа. Чтобы избежать этого неудобства, интегрированная модель может записывать в одну колонку таблицы целые Цепочки координатной информации. Таким образом, одна область может быть описана одной строкой таблицы, содержащей в одной колонке идентификатор области, а в другой - список идентификаторов линий. Тогда Линии, идентифицируемые по этому коду в отдельной колонке таблицы линий, описывали бы расположение области набором пар координат. Этот подход сокращает расходы на выборку и отображение, но нарушает первую нормальную форму Обычно с точки зрения пользователя это не является серьезной проблемой, а группировка этих неатомизированных цепочек данных в виде одномерных массивов в одной колонке обеспечивает более высокую производительность системы [Dimmick, 1985] при более строгом выполнении правил первой нормальной формы [Sinha and Waugh, 1988].

Выбор гибридной или интегрированной системы для большинства пользователей вопрос скорее прагматический, чем технический. Каждая имеет свои достоинства, и с переходом к более мощным компьютерам, сетевым технологиям и распределенным вычислениям обе могут дать широкий спектр аналитических возможностей. Для большинства из нас, во всяком случае для новичков, выбор будет сделан другими. Те же, кто находится в более завидном положении самостоятельного выбора, хотят определить, какая из них лучше всего соответствует имеющемуся оборудованию и будущим сетевым потребностям. Оба типа систем совершенствуются, и нужно будет запросить у поставщика подробные спецификации и даже тесты производительности на заданных аппаратных конфигурациях.

Помимо двух уже рассмотренных моделей высокого уровня на сцену выходит третья,называемая объектно-ориентированной моделью данных. Эта модель включает язык пространственных запросов [Healy, 1991] и отражает признание того факта, что требуется объектно-ориентированный доступ и к БД ГИС и к выполняемым с ней операциям. Идеи, лежащие в основе этих систем практически идентичны объектно-ориентированному подходу в программировании [Aronson, 1987].

Относительно понятия "объектно-ориентированный" не существует общего соглашения, но известно, что "объект" это есть некая сущность, которая имеет состояние, представляемое локальными переменными (этого объекта) и набором операций, которые могут применяться к этому объекту*. Поскольку каждый отдельный объект принадлежит какому-то множеству объектов и операций, его можно рассматривать как член этогокласса (т.е: множества, определенного одновременно наборами локальных переменных и операций). Каждый из этих классов наследует свойства от своегонадкласса- подобно тому, как люди наследуют характеристики более общего множества, называемого млекопитающими. В случае ГИС для иллюстрации этой идеи можно привести пример класса объектов полигон, который дает каждой области в базе данных все ее свойства (например, списки узлов, дуг и областей; процедуры вычисления центроидов, отображения, наложения полигонов и т.д.) (Рисунок 4.20).

Рисунок 4.20. Объектно-ориентированная ГИС. Пример иерархии классов объектов, как они могли бы быть сконфигурированы в объектно-ориентированной ГИС.

Кроме того, в контексте ГИС класс объектов полигон являетсянадклассомпо отношению к множеству объектов, называемых участок земли. Таким образом, объекты этого класса наследуют переменные и операции надкласса полигон, а также имеют свои собственные характеристики (например, категория участка, его цена, владелец, процедуры передачи собственности, перезонирования). Эта явная связь переменных и операций, вместе со наследованием свойств, лучше соответствует реальным географическим запросам. Она также обеспечивает метод передачи изменений в одном множестве объектов связанным с ним объектам.

Примером объектно-ориентированной ГИС является система INTERGRAPH TIGRIS [Herring, 1987], которая основана на объектно-ориентированном программировании, а не на новых разработках объектно-ориентированных СУБД. Эта технология очевидно проникает в среду ГИС, но пока объектно-ориентированные подходы предлагают лишь некоторые потенциально мощные инструменты географического моделирования и не являются широко доступными для массового потребителя. Недостаточная ориентированность на конечного пользователя не должна отпугивать тех, кто желает с ними поэкспериментировать, особенно если бюджет организации позволяет иметь несколько систем.

* для полноты следует еще упомянуть и события, которые может порождать объект — прим. перев.

Вопросы

1. Объясните фундаментальную разницу между простым набором графических примитивов и картой с точки зрения представления графической информации. В чем трудность в переносе карты в компьютер?

2. Если мы собираемся главным образом пользоваться программами, а не писать их, то почему мы должны знать об основных структурах файлов, структурах баз данных и графических структурах данных?

3. В чем различие структур неупорядоченного и упорядоченного файла? Какая из них более эффективна для добавления записей? Какая более удобна для поиска записей? Приведите пример того, как работает структура упорядоченного файла.

4. Что такое индексированные файлы? Чем они отличаются от упорядоченных файлов? В чем их достоинства? Какая из них более эффективна для поиска данных?

5. Что такое иерархическая структура базы данных? Как она работает? Приведите пример. Каковы ее ограничения, особенно с точки зрения ГИС?

6. Что такое сетевая структура БД? Как в ней отслеживаются записи? В чем ее преимущества и недостатки по сравнению с иерархическими системами?

7. Что такое реляционная СУБД? Как она работает? Какие преимущества и недостатки она может иметь по сравнению с СУБД других типов?

8. Что такое первичный ключ? Отношение? Внешний ключ? Реляционное соединение?

9. Что такое нормальные формы? Перечислите первые три нормальные формы и опишите ограничения, которые они накладывают на СУБД.

10. Опишите процесс квантования пространства на ячейки растра одного размера. Как влияет размер ячеек на точность определения местоположения? Как бы вы записали точки, линии и области с использованием растровой системы?

11. В чем возможные преимущества и недостатки использования растровых ГИС по сравнению с векторными?

12. Опишите векторную структуру графических данных. Чем она отличается от растровой по своей способности выражать положения объектов в пространстве? Как она обходится с пространством между объектами и другими пространственными отношениями по сравнению с растром?

13. Опишите методы сжатия растровых данных. Зачем они нужны? Какова главная проблема представления наземных объектов с помощью квадродерева по сравнению с методом блочного кодирования?

14. Опишите векторную спагетти-модель. Каковы ее преимущества и

недостатки?

15. Опишите базовую топологическую векторную модель данных. Чем она отличается от спагетти-модели? Как достигается эта разница? Приведите примеры топологических моделей. Опишите их различия. Каковы преимущества и недостатки каждой?

16. Какой метод может применяться для сжатия векторных данных? Как он работает?

17. Опишите модель TIN. Как она квантует пространство в отличие от растровых моделей? Почему нужно разрабатывать такую модель для векторных ГИС?

18. В чем главное различие между гибридными и интегрированными ГИС? Изобразите хранение и доступ к данным в каждой системе.

19. Объясните в общих словах, что такое объектно-ориентированная ГИС и укажите ее потенциальные преимущества перед другими системами.

РАЗДЕЛ 3