1.2 Структура баз и банков данных

В базах данных совокупность взаимосвязанных хранящихся вместе данных организована так, что их использование оптималь­но для одного или нескольких приложений; данные независимы от программ, использующих эти данные; для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в БД применяют общий управляемый способ. Данные структурируются таким образом, чтобы была обеспечена возмож­ность дальнейшего наращивания приложений.

Основная идея организации структуры базы данных заключает­ся в том, чтобы максимально нормализовать их, т. е. разбить на смысловые и функциональные группы.

При организации базы данных различают:

тип данных [картографические и атрибутивные (описатель­ные)];

структуру данных (топология и слои);

модель данных (иерархические, сетевые, реляционные, гиб­ридные);

форму предоставления пространственных данных (векторную, растровую, трехмерную) (рисунок 1).

Существует два главных типа данных в ГИС: картографические и атрибутивные (описательные).

Картографические данные — это картографическая информа­ция, хранящаяся в цифровой форме. Данные формируются по географическим объектам, описываемым на карте. Большую часть этих объектов можно классифицировать на точки, линии и поли­гоны.

К данным, используемым в ГИС, относится описательная ин­формация, которая хранится в базе данных об объектах (точка, линия, полигон), расположенных на карте. Описательную инфор­мацию называют атрибутом.

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

Одна из основных идей, воплощенная в традиционных ГИС, — это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными при раздельном их хранении и частично при раздель­ной обработке.

Как отмечалось, пространственные данные в современных ГИС представлены в двух основных формах: векторной и растровой.

Векторная модель данных основывается на представлении кар­ты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур.

Растровая модель данных основывается на представлении кар­ты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов.

Векторные модели используют в ГИС для предоставления информации, которую в дальнейшем нужно обрабатывать (обнов­лять, корректировать, удалять). Растровые модели используют в качестве подложки для дальнейшей векторизации картографичес­кого изображения.

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.

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. 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.

Условия хранения данных разнятся при растровой и векторной системах. Простейший метод хранения растровых данных — при­менение одной позиции (т. е. один-два байта памяти) для каждой ячейки. Это неэффективный метод, хотя его и применяют в некоторых системах. В таких системах существуют строгие ограничения числа рабочих строк и столбцов.

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 же применяют для того, чтобы структурировать данные.

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.

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.

Большинство ГИС позволяют разделять информацию на карте в логические категории, называемые картографическими слоями. 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).

Данные разделяют на слои карты так, чтобы ими можно было манипулировать и анализировать в пространстве либо по отдельности, либо совместно с другими слоями. Для получения более значимых аналитических результатов слои в ГИС должны быть связаны друг с другом через общую систему координат базы данных.

Базы данных делят на иерархические, сетевые и реляционные. 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.

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.

Недостатки иерархической и сетевой моделей привели к по­явлению реляционной базы данных. Реляционная модель была попыткой упростить структуру БД. В ней все данные представ­лены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы.

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.

Каждая таблица имеет собственный, заранее определенный на­бор поименованных столбцов (полей). Поля таблицы обычно со­ответствуют атрибутам объектов, которые необходимо хранить в базе. Количество строк (записей) в таблице не ограничено, и каж­дая запись несет информацию о каком-либо объекте.

Понятие «согласованность данных» — ключевое понятие баз данных. Фактически, если информационная система поддержи­вает согласованное хранение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает базу данных. Если же некоторая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их со­гласованность, то ее можно назвать системой управления база­ми данных. Требование поддержания согласованности данных в нескольких файлах не позволяет обойтись библиотекой функ­ций: такая система должна иметь некоторые собственные дан­ные (метаданные) и даже знания, определяющие целостность данных.

Реляционные базы данных — наиболее популярная структура для хранения данных, поскольку сочетает в себе наглядность представления данных с относительной простотой манипулирова­ния ими.