2.3. Представление пространственных объектов в БД

Итак, первый этап проектирования и создания базы данных — отбор и определение включаемых в нее типов объектов, второй — поиск адекватных способов пространственного представления каждого типа объектов.

Логический уровень определяется имеющимися программными средствами и практически не зависит от технического обеспечения. Он включает определение содержания базы данных (пространственное, атрибутивное), разработку логической структуры элементов базы данных в соответствии с требованиями к хранению и манипулированию информацией со стороны системы управления базами данных (СУБД), используемой в программном обеспечении ГИС (см. раздел 2.4 и параграф 1.2.2).

Физический уровень связан с аппаратными и программными средствами. На этом уровне проектируется БД как хранилище данных: определяются объемы хранимой в БД информации и необходимые объемы памяти компьютера (оперативной и долговременной); физическая структура БД, ее блоки, компоненты и их размещение; рассматриваются вопросы о структурировании файлов на диске или других носителях информации для обеспечения программного доступа к ним, представления данных в памяти компьютера (целые, действительные числа, байты или буквенно-цифровые характеристики).

2.3. Представление пространственных объектов в БД

2.3.1. Выбор модели пространственной информации

База данных ГИС содержит совокупность пространственных данных, организованных по правилам, принятым в общих технологиях баз данных.

Определение способов представления географических объектов на концептуальном уровне создания БД связано с проблемной ориентацией ГИС и включает выбор модели объектов и модели пространственных данных (см. параграф 1.2.2).

Все географические информационные системы строятся на основе формальных моделей пространственных данных. Главное требование к ним — представление объектов или явлений точками, линиями, полигонами, ячейками сетки (пикселами) или слоями должно находиться во взаимно однозначном соответствии с геогра-

52 Глава 2. Представление и организация географической информации

фической сущностью определяющих их пространственных показателей, адекватно соответствовать решаемой в ГИС задаче. Даже один и тот же тип объекта может быть представлен в ГИС по-разному. Нет понятия «лучшая модель», а есть «модель, лучшая в контексте поставленной задачи». Модель должна поддерживать отображение, запросы, редактирование и анализ информации.

Векторная модель пространственных данных, представляемая набором координатных пар, описывает только «геометрию» объекта (такое представление часто называют модель «спагетти»). Такая модель позволяет отразить большую пространственную изменчивость для одних районов, чем для других, например, резкие изменения на границе площадного объекта при их отсутствии в центре, признаки явлений, изменчивость которых в ряде районов более интенсивна, чем в других.

Векторно-топологическая модель данных позволяет определять и использовать пространственные отношения, свойственные геометрии объектов, для выполнения сложного пространственного анализа данных.

Понятие «топологическая БД» можно пояснить на следующем примере. Если некоторую карту растянуть и исказить, то изменятся многие ее характеристики, в том числе расстояния, углы, относительная близость объектов. Но такие характеристики, как смежность, пересечение, нахождение внутри, сохранятся; сохраняются и типы представления пространственных объектов: полигоны остаются полигонами, линии — линиями, точки — точками. Строго говоря, топологическими являются те свойства, которые не изменяются при изменении масштаба и проекции карты.

При применении термина для векторно-топологических моделей данных его строгое значение было сужено. Под топологией подразумевают тот факт, что в БД хранятся также описания взаимного расположения и взаимосвязей объектов (пространственные отношения). Простейшими примерами пространственных отношений между объектами являются: «ближайший к», «пересекает», «соединен с», «смежный». Кодирование этих отношений и представление их в виде дополнительных атрибутов объектов повышает пригодность данных для различных видов пространственного анализа, включая объединение смежных полигонов, комбинирование объектов разного типа пространственной размерности (геометрии) при наложении слоев.

В таких моделях особенно четко проявляются различия в понятиях модели объекта реальности и объекта базы данных: «точки», например, могут представлять города и точки пересечения границ смежных полигонов или линий.

Растровая модель представляет собой равномерную выборку значений характеристик (показателей, признаков, семантики) явления, а также отражает дискретность информации о пространственной изменчивости. Растр фиксирует на ячейках растра взаимное расположение объектов. Чем меньше размер пиксела, тем больше разрешение данных, тем подробнее представление реальности и тем больше размер файла.

При выборе модели пространственных данных, прежде всего, следует учитывать те особенности отображения реальности, которыми обладают векторные и растровые модели. Растр организует географическое пространство в заданной регулярной последовательности ячеек одинакового размера, обеспечивая «последовательный доступ» к ним. Но если свойства объекта описаны в растровом виде, то достаточно сложно создать целостный объект из отдельных ячеек (например, соединить ячейки для представления дороги).

В векторном представлении пространство состоит из однородных реальных объектов (или их частей), взаимное расположение которых известно; вектор может организовывать пространство в любой последовательности, он дает «произвольный доступ» к данным.

При послойном представлении реальность определяется бесконечным числом признаков в бесконечном количестве точек. В слоях БД, созданных для описания этих признаков или их изменений

всоответствии с векторной или растровой моделью, образуются искусственные объекты, определяемые некоторыми координатами

всистеме, общей для всех слоев.

2.3.2. Особенности представления пространственных объектов в БД

Выбранная модель данных определит и способ организации цифровых описаний пространственных данных. Любая БД состоит из цифровых представлений дискретных объектов, большинство из которых создано на основе бумажных карт.

В БД ГИС формируемые наборы данных о пространственных объектах представляются аналогично цифровым картам, каждая

54 Глава 2. Представление и организация географической информации

из которых по определению является цифровой моделью карты

[Геоинформатика. Толковый..., 1999], но цифровые пространственные данные в БД содержат атрибуты объектов реальности, а цифровая карта — свойства картографических знаков, выражающих эти атрибуты графически (см. главу 7). Отличие таких карт от традиционных изображений состоит в том, что она, как и БД, недоступна непосредственному зрительному восприятию. Поэтому важно четкое определение правил представления разных географических объектов в БД и на цифровой карте.

Содержание карты можно хранить в БД в виде цифровой карты, превратив объекты карты в объекты базы данных. Правда, всегда нужно помнить, что многое из показанного на картах умозрительно и не существует в реальном мире: горизонталей в природе не существует, а вот дома и озера — это реальные объекты.

Итак, географические объекты, моделируемые с помощью карты или ГИС, имеют три формы представления:

объект в действительности;

•объект, представленный в базе данных (некоторые авторы вводят для таких объектов наименование «предмет»);

•знак, который используется для показа объекта (предмета) на карте или на другом графическом изображении.

Мы будем во всех случаях использовать наименование «объект», поскольку, о чем идет речь, обычно понятно из контекста.

Объекты могут быть объединены в классы, например, множество точек, представляющее множество городов. Любая группа сходных явлений, информация о которых хранится в базе данных и которые имеют одинаковую форму хранения и представления (например, дороги, реки, высоты, растительность), определяется как тип объектов и имеет общие атрибуты. Каждый тип объектов должен быть точно определен, это помогает выявить перекрывающиеся категории данных, вносит ясность в содержание базы данных.

Пространственные типы объектов БД могут группироваться в слои, именуемые также покрытиями, или темами. Один слой представляет один тип объектов или группу концептуально взаимосвязанных типов объектов. Например, слой может включать только отрезки водотоков, или же водотоки, озера, береговую линию и болота. Возможны самые разные варианты системы слоев.