4 Объектно-ориентированное моделирование, виды моделей и их применение в гис

Модель - создаваемое человеком подобие изучаемых объектов: макеты, изображения, схемы, словесные описания, математические формулы, карты и т.д. В модели учитываются только существенные качества реального объекта. Модель всегда проще реального объекта, она позволяет выделить главное, не отвлекаясь на детали. Процесс моделирования сводится к концентрации внимания на существенных признаках объекта реального мира и отбрасыванию несущественных признаков. Существенность тех или иных признаков определяется наблюдателем. Моделирование предметной области производится путем определения сущностей и смысловых связей между ними, которые в итоге образуют единую комплексную структуру предметной области. Поскольку единая комплексная структура может быть достаточно сложной, программа позволяет при помощи групп разделить комплексную структуру на несколько смысловых блоков:

• Сущность

• Связь

• Структура

Сущность - это формально описанное обобщающее понятие модели предметной области; это нечто, что существует как минимум в сознании автора модели, относится к предметной области и влияет на выполнение каких-либо рассматриваемых бизнес-функций.

По сути, реально существуют экземпляры сущностей — реальные объекты модели предметной области. Каждая сущность — это обобщающее понятие для группы таких объектов, объединенных общими свойствами.

Сущности обладают следующим набором свойств:

• Они представляют собой информацию, которая хранится либо обрабатывается

• Они реально присутствуют в предметной области

• Их экземпляры можно уникально идентифицировать

При описании сущности обязательно указываются следующие аспекты:

• Определение понятий модели предметной области, которые необходимы для строгого понимания смысла атрибутов сущности

• Описание атрибутов данной сущности и ее связей с другими сущностями

• Особенности создания, редактирования и удаления экземпляров данной сущности

• Способы, которыми можно просматривать и/или изменять экземпляры сущности в системе

Важно осознать, что любая сущность — это нечто реально существующее и имеющее атрибуты, которые его описывают.

Например:

• Организационная единица (Название, Номер, …)

• Покупатель (Название, Адрес, …)

• Ожидание клиента (Формулировка, …)

• Банковский счет (Номер, Банк, …) и т.д.

Набор сущностей сам по себе может нести достаточно много полезной информации, но эта информация меркнет перед тем объемом полезных данных, которые могут быть получены из связей. Взаимодействие между двумя сущностями, которое фиксируется в модели предметной области, называется связью между сущностями.

Связи между сущностями позволяют строить транзитивные ассоциации между сущностями, которые активно используются в приложениях.

Взаимосвязи бывают:

• Один ко многим (с одним экземпляром первой сущности связано несколько экземпляров второй).

• Многие ко многим (с экземплярами обеих сущностей может быть связано произвольное количество экземпляров другой сущности).

Для каждой взаимосвязи описывается обязательность ее наличия. Например, пишется, что первая сущность может быть связана со второй, либо, что сущность должна быть связана со второй. Обязательность указывается как для первой, так и для второй сущности. При описании взаимосвязей сущностей детально указывается, как они связаны между собой. Взаимосвязь принципиально имеет два конца — она связывает две сущности, из которых ни одна не может быть выделена как главная. Описание взаимосвязи проводится в двух местах — при описании каждой из связанных сущностей.

Совокупность сущностей и различных типов связей между ними определяют структуры. Совокупность структур определяет модель управления, которая доступна пользователям для редактирования и для просмотра. Программа имеет заранее заданные наборы структур данных, которые не могут изменяться пользователем, т.к. данные структуры обеспечивают поддержку заложенной в программу методологии.

Простая структура состоит из сущностей одного вида, которые связаны одним способом, например, организационная структура состоит только из подразделений, которые связаны связью типа «Подчинен». Сложная структура состоит из большого набора видов сущностей и большого количества разнотипных связей. Сложная структура всегда может быть разложена на несколько простых структур.

ГИС является пространственно распределенной базой данных. В ней совмещены графическое изображение пространственных данных и дополнительные характеристики изображаемых объектов.

Хранящиеся в информационной системе данные должны быть легко доступны в том виде, в каком они нужны для конкретной деятельности организации или предприятия. При этом не имеет существенного значения способ хранения данных. Информация, необходимая для описания предметной области, зависит от реальной модели, то есть сведения о людях, местах, предметах, событиях и понятиях.

Рис. Три области представления данных.

Существует всего несколько  основных типа моделей данных (и типа структур БД):

• иерархическая (древовидная);

• сетевая;

• реляционная (табличная);

• объектно-ориентированная.

Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, то есть один тип объекта является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях иерархии, — подчиненными. Между главным и подчиненными объектами устанавливается взаимосвязь «один ко многим».

В сетевой модели данных понятия главного и подчиненных объектов несколько расширены. Любой объект может быть и главным и подчиненным. Каждый объект может участвовать в любом числе взаимосвязей.

Большая часть геопространственных цифровых данных в мире в настоящее время хранится с использованием реляционных моделей данных. В БД реляционного типа данные хранятся как наборы таблиц (называемые отношениями), которые логически связаны друг с другом с помощью общих атрибутов.

В основе реляционной модели лежит понятие множества, как неупорядоченного набора уникальных значений. Основные особенности множества:

• уникальность составляющих элементов,

• ограниченность,

• неупорядоченность.

Объектно-ориентированная модель данных.

Объектно-ориентированные модели данных обеспечивают возможность многостороннего и комплексного описания реального мира и создания структуры данных, которую пользователи смогут легко понять. Здесь объекты являются моделями, очень близкими по своим свойствам и характеристикам  объектам реального мира. В упрощенном виде разницу между реляционной и объектно-ориентированной моделями можно представить так: в последней объект хранит информацию о себе (все свои атрибуты) внутри себя, а не во множестве взаимосвязанных таблиц.

Например, в объектной модели речной сети будут использоваться линии, изображающие участок реки или приток, и каждый сегмент реки будет демонстрировать поведение, моделирующее его поведение в реальном мире: скорость течения, средняя глубина,  объем потока, объем переносимого осадочного материала и т.д.

Реляционная модель

В современных информационных системах и базах данных наиболее широко представлены реляционные модели (РМ).

Сущности, атрибуты и связи хранятся в таблицах как данные определенной структуры. Структура данных обусловливается используемыми моделями данных.

Таблица состоит из строк и столбцов и имеет имя, уникальное внутри базы данных, Таблица отражает тип объекта реального мира (сущность), а каждая ее строка — конкретный объект.

Основным средством структурирования данных в реляционной модели является отношение (relation). Понятия отношения в реляционной модели и математике близки, хотя и не совпадают. Можно определить отношение как декартово произведение доменов.

Реляционная модель является табличной моделью, некоторые типы связей между отношениями могут представляться в схеме неявно. В этих моделях не предусматривается поддержание логической упорядоченности, однако, кортежи помещаются в физическую память в соответствии с некоторым порядком. Физическая упорядоченность используется для выборки.

Помимо таблиц в ГИС могут храниться и другие объекты, такие, как экранные формы, отчеты (reports), представления (views) и даже прикладные программы, работающие с информацией, размещенной в реляционной модели.

Данные информационной системы должны быть однозначными и непротиворечивыми. В таком случае говорят, что реляционная модель удовлетворяет условию целостности (integrity), При этом на реляционную модель накладываются некоторые ограничения, которые называют ограничениями целостности (data integrity constraints).

Модель "сущность-связь"

Модель данных "сущность-связь" или ER-модель (Entity Relationship Model) дает представление о предметной области в виде объектов, называемых сущностями, между которыми фиксируются связи.

Для каждой связи определено число связываемых ею объектов. На схеме сущности изображаются прямоугольниками, связи — ромбами. Число связываемых объектов указывается цифрой на линии соединения объекта и связи.

Появление моделей данных типа "сущность-связь" было обусловлено практическими потребностями проектирования баз данных для коммерческих СУБД. Такие модели имеют много общего с иерархическими и сетевыми моделями данных.

В основе модели Чена лежит представление о том, что предметная область состоит из отдельных объектов, находящихся друг с другом в определенных связях. Объекты описываются различными параметрами или атрибутами; однотипные объекты описываются одним и тем же набором параметров и объединяются во множества или классы (сущности). Конкретные объекты, составляющие класс, называют экземплярами соответствующей сущности. Между сущностями идентифицируются взаимосвязи различного вида: один к одному, один ко многим и др.

При построении ER-моделей важно учитывать разновидность объектов. Прежде всего, это простые и сложные объекты, Объект модели рассматривается как простой, если он имеет свойства атомарного объекта или модели.

Сложными называют объекты, которые могут быть представлены в виде совокупности более простых объектов. На схеме это соответствует тому, что блок, отображающий такой объект, может быть заменен несколькими взаимосвязанными подблоками, определяющими другие объекты или наборы данных.

Такое разделение условно, так как в одних случаях объект может считаться простым, в других — сложным.

Сложные объекты подразделяют на составные, обобщенные и агрегированные.

Составной объект структурирован на основе связей "целое-часть". Он строится аналогично классификации.

Обобщенный объект построен на основе обобщения, т.е. на основе связей "тип-тип", "род-вид" и т.д.

Выделение родовых - видовых связей позволяет осуществлять классификацию, т.е. выделение классов и подклассов, с использованием признаков и свойств объектов.

Агрегированным объектом, строго говоря, следует считать объект, спроектированный (смоделированный) на основе агрегации. Однако в разных приложениях допускают введение дополнительных условий. В частности, агрегированными обозначают объекты, участвующие в каком-либо процессе. Это соответствует описанию динамических свойств, и такие агрегированные объекты называют "отглагольными существительными", например, поставлять — "поставка", производить — "производство" и т.п.

Большинство ограничений в ER-моделях относится к классу явных. Однако в них существует ограничение для случая, когда сущность может быть идентифицирована по связям, а не по значениям своих атрибутов. Такое ограничение называется зависимостью по идентификации, обозначается как ID-зависимость.