Возможности и компоненты баз данных геоинформационных систем

В современном обществе информационные и коммуникационные технологии (далее ИКТ) играют большую роль. ИКТ охватывают множество различных областей и активно входят в нашу жизнь и изменяют ее. Одним из направлений ИКТ является разработка геоинформационных систем (далее ГИС). Технологии ГИС используются в транспортной сфере, строительстве, картографии, экологии, сейсмологии и многих других областях. Их преподают в университетах и научных институтах.

Собственно, что такое технология ГИС? ГИС — это геоинформационная система, позволяющая отображать на карте объекты окружающего мира, затем анализировать и визуализировать их, и на основе этой информации прогнозировать различные события и явления. Такая мощная технология позволяет ГИС решать глобальные и индивидуальные задачи.

В последние годы база географической информации значительно расширилась. Например, аэрофотоснимки США составляют 25 терабайт (ТБ), Соединенного Королевства — это примерно 450 миллионов векторных объектов, и эти векторы находятся в базе данных MasterMap, покрывающей всю Британию.

К характерным чертам современного этапа развития геоинформатики можно отнести промышленную разработку геоинформационных систем нового поколения, основанных на использовании универсальных систем управления базами данных (СУБД) для хранения и анализа геопространственных данных. Показана технологическая зрелость ГИС с точки зрения применения идей и методов объектно-ориентированного подхода к геопространственному моделированию, а также универсальных методов информационных технологий в корпоративных и глобальных ГИС и полноценной клиент-серверной архитектуры.

Системы геопространственных баз данных стали объектом активных исследований в последние 20 лет, в частности, эффективные модели геопространственных данных и схемы организации пространственных запросов в среде баз данных, пространственные и пространственновременные данные и поток публикаций, посвященных информационному поиску и знания, включенные в подобные базы данных, тому подтверждение.

Создание базы данных, ее ведение и предоставление пользователям доступа к информации осуществляется с помощью специального программного средства - системы управления базами данных (СУБД).

Системы управления базами данных (СУБД) представляют собой набор программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддержания их в рабочем состоянии, организации поиска в них необходимой информации.

Классифицируются современные базы данных, в том числе базы данных, используемые в программном обеспечении ГИС, по используемой модели данных и в зависимости от количества поддерживаемых баз данных и количества пользователей (высший, средний, нижний уровень, настольные СУБД).

Высший уровень баз данных поддерживают большие базы данных (сотни и тысячи гигабайт и более), обслуживающие тысячи пользователей, например, ORACLE, AD ABAS 5.3.2, SQL Server 11.

Средний уровень MBBT поддерживает базы данных объемом до нескольких сотен гигабайт и обслуживает сотни пользователей. Например: InterBase 3.3, Informix-OnLine 7.0, Microsoft SQL Server 6.0.

Нижний уровень СУБД — это системы, которые поддерживают базы данных размером до 1 ГБ и имеют менее 100 пользователей. Они обычно используются в небольших разделах. Например: NetWare SQL 3.0, Gupta SQL Server.

Настольные СУБД рассчитаны на одного пользователя, используются для хранения БД или в качестве клиента для подключения к серверу БД. Они имеют ограниченные возможности обработки данных и характеризуются отсутствием подключения к сети. Например: FoxPro 2.6, corp. Microsoft; Paradox 5.0 Corp. Borland.

Следовательно, СУБД — это компьютерная программа, которая обеспечивает эффективное управление, хранение и доступ к данным.

Простая и небольшая база данных может храниться в стандартных файлах в памяти компьютера. Но для того, чтобы десятки, сотни и тысячи пользователей использовали большие объемы данных, требуется СУБД, и эта программа комплексно обеспечивает целостность данных. Для выполнения таких функций СУБД предоставляет несколько возможностей:

• •    Модель данных – это механизм, который оцифровывает географические объекты и сохраняет их в компьютерной системе. Любая СУБД содержит стандартные центрированные данные, что удобно для описания различных типов объективных данных.

• •    Возможность загрузки данных – СУБД использует метод загрузки данных в базу данных. Простой метод позволяет загружать стандартные типы данных (символы, числа и даты) в хорошо структурированных форматах. Другие типы нестандартных типов данных можно загрузить, создав программы, преобразующие их в стандартные.

• •    Индекс — это структура данных, которая ускоряет поиск. Все базы данных имеют стандартный метод индексации данных.

• •    Язык запроса. Доступность этого языка — одно из преимуществ СУБД. Потому что это включает в себя запросы и манипулирование данными в стандартной системе, известной как SQL.

• •    Безопасность. Уникальной особенностью СУБД является то, что данные можно получать контролируемым образом. Этот тип контроля включает в себя ограничение доступа пользователей к любой части базы данных. Например, если случайному пользователю ГИС предоставляется доступ только для чтения к данным, эксперту также предоставляется доступ для создания, обновления и удаления этих данных.

• •    Контролируемое обновление. Контроль за обновлением данных осуществляется специально назначенным менеджером-специалистом. Он контролирует количество пользователей, обращающихся к базе данных.

• •    Сохранение и восстановление информации. Важно защититься от потери данных, вызванной некорректными обновлениями или случайными сбоями системы. Специальные программы хранения и восстановления в СУБД служат для предотвращения такой проблемы.

• •    Инструменты управления базой данных. Такие задачи, как создание структуры базы данных, создание и использование индексов, повышение производительности, сохранение и восстановление, а также контроль доступа пользователей выполняются администратором с помощью инструментов управления.

Современные СУБД оснащены стандартными и универсальными устройствами, предназначенными для создания и управления базой данных. Эти устройства используются для разработки СУБД и создания пользовательского интерфейса (для доступа и представления информации).

Итак, резюмируя вышеизложенное, СУБД представляет собой набор логически связанных данных, предназначенных для удовлетворения потребностей одного или нескольких пользователей (рис. 1). Эта информация часто отображается в таблицах базы данных.

Таблица — это элементы данных (значения), расположенные по горизонтальным строкам и вертикальным столбцам. Обычно столбцы содержат имена, а строки — значения. Таблица может иметь указанное количество столбцов и любое количество строк.

Рис. 1. Архитектура базы данных ГИС и ее компоненты.

Любая СУБД служит для того, чтобы сделать процесс получения информации простым и удобным для пользователя. Кроме того, создание БД и управление им — одна из важнейших задач этой системы. Управление базой данных означает выполнение различных операций по управлению таблицами в базе данных. К таким операциям относятся:

• •    ввод записей;

• •    запросы;

• •    изменение примечаний;

• •    удаление записей.

Вышеуказанные операции позволяют пользователю хранить, извлекать и обновлять информацию в мегабайтах. Кроме того, система должна позволять пользователю создавать корреляции между различными таблицами.

Преимущества, предлагаемые СУБД, весьма разнообразны, но любой СУБД должен иметь следующие преимущества, чтобы работать эффективно:

• •    Независимость информации и программ. Это первое преимущество БД. Независимая работа программного обеспечения и данных приводит к экономии времени и средств.

• •    Не разделять и не воспроизводь информацию. Другим инструментам в БД разрешено получать информацию из БД, что, в свою очередь, предотвращает возврат и дублирование данных.

• •    Целостность информации. Это означает, что информация, хранящаяся в БД, имеет полное ясное содержание.

• •    Централизованное управление. Благодаря этому администратор контролирует правильность отображения и своевременность получения информации.

• •    Безопасность. Управляя БД, администратор обеспечивает доступ пользователей по защищенным каналам и авторизует необходимую информацию для пользователя. Система безопасности должна предотвращать случайную или преднамеренную потерю данных.

• • Производительность и эффективность. Учитывая размер и объем БД, а также количество пользователей, обращающихся к нему, и количество запросов, высокая производительность и эффективность имеют решающее значение, а это означает, что в зависимости от типа пользователя (индивидуальный или крупная организация) администратор может настроить БД соответствующим образом, может создать и разрешить его соответственно.

Широкое использование ГИС основано на географической базе данных. База данных является одним из факторов, необходимых для работы ГИС, и является основной спорной частью после фактора человеческих ресурсов. Это связано со стоимостью организации и обслуживания базы данных, требованиями к дизайну базы данных и ролью анализа и принятия решений.

Термин «пространственный» часто используется в базе данных. Как мы определили ранее, термин «пространственный» относится к географическим и негеографическим характеристикам места. Сегодня многие крупные компании используют СУБД для хранения данных и агрегации файлов.

Итак, база данных – это комплексный набор информации о конкретном объекте.

База данных предлагает следующие преимущества по сравнению с традиционным сбором данных на основе файлов при сборе географических данных:

• •    Экономит место, сохраняя все данные в одном месте.

• •    Затраты на ремонт снижаются в результате правильной организации данных и уменьшения их дублирования.

• •    Практические задачи достигают информационной свободы, что позволяет многим практическим задачам работать независимо с одной и той же информацией.

• •    Знания пользователей легко передаются в практических приложениях, поскольку база данных остается неизменной.

Упрощение обмена данными облегчает корпоративный имидж (просмотр, обзор) между всеми типами пользователей и администраторов данных.

• •    Будут созданы информационные стандарты и обеспечена их безопасность.

СУБД подходит для работы с большим количеством пользователей одновременно с большим объемом информации. С другой стороны, файловая система СУБД также имеет следующие недостатки:

• >    Покупка и поддержка программного обеспечения СУБД обходится довольно дорого.

• >    СУБД создает проблемы с управлением данными, особенно для небольших проектов.

В заключение, при проектировании геоинформационных систем, помимо вышеперечисленных, необходимо выполнить следующие действия:

• •    разработка требований к исходному картографическому материалу (необходимый масштаб, проекция, система координат);

• •    определение размерности используемых с ними географических данных (двумерные 2D и/или трехмерные 3D), а также определение модели представления пространственных данных (векторная и/или растровая);

• •    проектирование состава слоев пространственной информации ГИС;

• •    определить, имеются ли цифровые карты интересующих регионов.

Работая над созданием ГИС, нельзя забывать о вопросах финансирования проекта. ГИС-проекты обычно занимают много времени, поэтому проблемы с финансированием могут привести к закрытию работ. Рекомендуется иметь несколько источников финансирования, и рассмотреть вариант самофинансирования проекта.