3.2.1 Принципы хранения и управления данными в реляционных субд

Атрибутивные базы данных в ГИС представляют собой таблицы, содержащие свойства (атрибуты) пространственных объектов. Как правило, строки таблиц характеризуют отдельные объекты, отображаемые на слоях ГИС (точки, полилинии, полигоны, растры). Для управления наборами атрибутивных данных используют системы управления базами данных¹ или специальные модули и приложения.

Использование специальных программ и инструментов для создания баз данных и их обработки может быть оправдано при значительном объеме самих данных, необходимости соблюдения определенных принципов хранения и обработки информации (непротиворечивость, целостность, безопасность информации), необходимости множественной обработки данных, обращении к данным средствами выборок и запросов.

Перечисленным требованиям отвечают базы данных лесоустройства:

- каждый объект лесоустроительной инвентаризации или проектирования (участковое лесничество, территория аренды) может содержать сотни или тысячи записей, соответствующих уровню управления (выделы, кварталы, участковые лесничества, кадастровые участки);

- в базы данных вводится и хранится множество атрибутов (таксационные характеристики, сведения о кварталах, лесничествах);

- к сведениям, хранящимся в базах данных, предъявляются требования непротиворечивости, корректности, безопасности, возможны ограничения доступа для разных категорий пользователей;

- данные лесоустройства подвергаются множественной обработке при выполнении лесоустроительных расчетов и получении статистических сведений о лесах;

- для обращений пользователей к данным необходимы простые и эффективные средства управления (выборки, запросы).

В большинстве современных систем управления базами данных и ГИС используются реляционные модели данных².

Реляционной базой данных называется база данных, в которой все данные, доступные пользователю, организованы в виде таблиц (отношений - relations), а все операции над данными сводятся к операциями над этими таблицами¹. Преимуществом реляционных СУБД считается их большая степень открытости для пользователей. Пользователи сами могут формировать структуру баз данных, обращаться к базам данных с помощью запросов, которые могут также формировать самостоятельно. Важными достоинствами реляционных моделей считаются их простота, понятность и удобство физической реализации на компьютерах.

Основные понятия реляционных СУБД близки по смыслу понятиям таблица, тип данных, столбец, строка и т.д. (см. табл. 2), но отличаются от них особенностями структуры и организации.

Таблица 2. Элементы реляционной модели [БД]

Элемент реляционной модели	Форма представления	Пример
отношение	таблица	объемы лесопользования по лесозаготовителям
схема отношения	“шапка” таблицы	объемы лесопользования по лесозаготовителям (Лесопользователь, Ежегодный размер Главного пользования, Ежегодный размер промежуточного пользования)
атрибут	заголовок столбца таблицы	Лесопользователь
Кортеж	строка таблицы	ОАО «Айсберг» 15000 20000
первичный ключ	один или несколько атрибутов	атрибут Лесопользователь для связи с таблицей Перечень кварталов лесничества
значение атрибута	значение поля в записи	одна характеристика единичного объекта
Домен	множество всех возможных значений определенного атрибута	Для атрибута Лесопользователь – названия всех лесозаготовителей, для атрибутов с размерами пользования – все возможные положительные целые числа
тип данных	тип значений элементов таблицы	Для атрибута Лесопользователь – символьные, для атрибутов с размерами пользования - числовые

Таблица 2. База данных «Объемы лесопользования по лесозаготовителям»

Лесопользователь	Ежегодный размер Главного пользования	Ежегодный размер промежуточного пользования
ОАО «Айсберг»	15000	20000
ООО «Леспром»	40000	5000

Основными понятиями реляционных моделей данных являются сущность, отношение, домен

Сущность – объект любой природы, данные о котором хранятся в БД в форме отношений (например, сведения о лесопользовании в лесничестве за определенный период). Сущность может характеризовать объекты (лес, строение) и явления (пожары, загрязнения, рост древостоя). Каждая сущность обладает набором свойств, информация о которых может храниться в информационной системе. Данные о сущности хранятся в отношениях.

Отношение – двумерная таблица с данными, в которой все строки отличаются друг от друга.

Свойства отношений (отличия отношений от таблиц):

В отношении нет одинаковых кортежей (строк). Все строки должны быть уникальны – отличаться хотя бы по одному значению.

Все атрибуты должны быть различны. Не должно быть столбцов с одинаковыми названиями.

Все значения атрибутов должны быть простыми. Недопустимо помещение в одном столбце одной строки набора значений (массива, …).

Все кортежи должны иметь одинаковую структуру. Строки одной таблицы должны иметь одну структуру, соответствующую именам и типам данных столбцов.

Кортежи не упорядочены (сверху вниз). Порядок строк не имеет значения.

Атрибуты не упорядочены (слева направо). Т.к. каждый атрибут имеет уникальное имя в пределах отношения, то порядок атрибутов не имеет значения.

Домен – множество допустимых значений атрибута

Реляционная структура позволяет представлять в табличном виде значительные по объемам и содержанию наборы данных. В одной таблице может описываться простейший вид связей – деление одного объекта на множество подобъектов. В нескольких таблицах, совмещенных друг с другом, могут описываться повторяющиеся (избыточные) данные¹.

Для взаимосвязи нескольких таблиц используются ключи (общие столбцы в разных таблицах).

Первичный ключ – столбец таблицы, значения которого однозначно идентифицируют каждую строку.

Внешний ключ – столбец одной таблицы, значения в котором совпадают со значениями столбца, являющегося первичным ключом другой таблицы. Вместе первичный и внешний ключи создают между таблицами отношение предок-потомок. Связи между ключевыми полями баз данных могут относиться к одному из типов – “один-к-одному”, ”один-ко-многим”, ”многие-ко-многим” (рис. ).

Таблица 1. Типы связей в СУБД

Тип связей	Схема	Пример
“один-к-одному”		Одному сотруднику (A) соответствует один номер паспорта (B)
“один-ко-многим”		Одному центральному лесничеству (A) соответствует набор участковых лесничеств (B1…Bn)
“многие-к-одному”		Несколько лесозаготовителей (A1…An) поставляют древесину одному деревообрабатывающему комбинату (B)
“многие-ко-многим”		Древесину разных пород поставляют разные лесозаготовители (B1…Bn)

Тип связей ”один-к-одному” используется при организации связей картографических и атрибутивных данных в ГИС. Каждому геометрическому объекту (полигону, полилинии, символу) на слоях ГИС соответствует уникальный номер-идентификатор. Те же идентификаторы указываются в строках атрибутивных таблиц.

На рис. показан набор отношений (Кварталы лесничества, Объемы лесопользования, Делянки), составляющих базу данных лесопользования по лесозаготовителям на арендуемой территории лесничества.

Кварталы лесничества Номер квартала Административный район Лесопользователь Площадь, га 1 Тосненский ООО «Леспром» 41 2 Тосненский ООО «Леспром» 50 3 Тосненский ООО «Леспром» 58 4 Тосненский ООО «Леспром» 60 5 Тосненский ОАО «Айсберг» 81 6 Тосненский ООО «Леспром» 145 7 Тосненский ОАО «Айсберг» 86

Объемы лесопользования Лесопользователь Ежегодный размер Главного пользования Ежегодный размер промежуточного пользования ОАО «Айсберг» 15000 20000 ООО «Леспром» 40000 5000

Делянки Геометрический объект Идентификатор объекта Номер делянки Номер квартала Номер выдела Способ рубки Polygon 0006 1 6 24 сплошная Polygon 0007 1 4 2 выборочная Polygon 0008 2 4 2 выборочная

Атрибуты отношения Кварталы лесничества: номер квартала, административный район, лесопользователь, площадь. Домены атрибутов: номер квартала и площадь – целые положительные числа, административный район - перечень названий районов территории аренды, лесопользователь - перечень названий лесопользователей (ООО “Леспром” и ОАО “Айсберг”).

Связь между отношениями Кварталы лесничества и Объемы лесопользования возможна по ключевому столбцу “Лесопользователь” (при этом в отношении Кварталы лесничества столбец Лесопользователь будет внешним, в отношении Объемы лесопользования - первичным). Ключевым столбцом для связи таблиц Кварталы лесничества и Делянки может быть Номер квартала.

Атрибутивные таблицы в ГИС дополняются атрибутами-связями строк-кортежей с пространственными объектами, отображаемыми на слоях электронных карт. В отношении Делянки, совмещенном с полигонами - контурами делянок на электронной карте указывается тип геометрического объекта (полигон) и его уникальный номер – идентификатор.

В ГИС объекты атрибутивных баз данных (представленные в виде строк таблиц) соединяются с графическими объектами (точками, линиями, полигонами, растрами) с помощью ключевых полей.