Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии

Подождите немного. Документ загружается.

какой-либо из рассмотренных систем весьма близки. В целом основы

моделирования и построения моделей в ГИС должны базироваться на

известных принципах и подходах, которые применяют в других АС.

Основой интеграции технологий в ГИС служат технологии

САПР, но между ними существуют различия.

АСУ полностью интегрирована в ГИС и может быть рассмотре-

на как подмножество этой системы.

Таким образом в ГИС принципиально решаются все задачи,

выполняемые прежде в АСУ, но на более высоком уровне интеграции и

объединения данных. Следовательно, ГИС можно рассматривать как

новый современный вариант автоматизированных систем

управления, использующих большее число данных и большее число

методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь

использующих методы пространственного анализа (см. рис. 2.2).

Экспертные системы должны служить составной частью ГИС

как систем принятия решений.

Общие принципы

построения моделей

данных в ГИС

ГИС использует разнообразные данные об объектах,

характеристиках земной поверхности, информацию о формах и

связях между объектами, различные описательные сведения.

Для того чтобы полностью отобразить геообъекты реального

мира и все их свойства, понадобилась бы бесконечно большая база

данных. Поэтому, используя приемы генерализации и абстракции,

необходимо свести множество данных к конечному объему, легко

поддающемуся анализу и управлению. Это достигается

применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов

исследования и не содержащих второстепенных свойств. Поэтому

первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения

является обоснование выбора моделей данных для создания

информационной основы ГИС.

В существующих ГИС используются различные способы для

организации реальности посредством модели данных. Каждая

модель более пригодна для определенных типов данных и областей

применения, поэтому при необходимости решения большого числа

задач следует использовать совокупность разных моделей.

Модели геообъектов, применяемые в ГИС, многочисленны и

разнообразны, что обусловливается многообразием данных и

задач, решаемых при помощи ГИС.

В процессе функционирования ГИС все многообразие входных

данных - информация об объектах, их характеристиках, о формах и

связях между объектами, различные описательные сведения -

преобразуется в единую общую модель (набор моделей), хранимую

в базе данных. В совокупности эти данные образуют

разнообразные модели объектов, которые задают информационную

основу базы данных и определяют методы обмена данными в

процессе эксплуатации ГИС.

Интегрированная информационная основа базы данных не

является просто суммой информационных моделей частей объекта.

Она, как правило, имеет меньший объем физической памяти при

сохранении информационной емкости по сравнению с

информационными моделями, ее составляющими, хотя включает

данные о связях и дополнительную служебную информацию.

Целостность, непротиворечивость и оптимальность этой общей

модели ГИС обусловливается обоснованным выбором

составляющих частей модели.

Модели объектов ГИС, хранящихся в базах данных, состоят из

более простых частей, которые принято называть моделями

данных. В свою очередь, модели данных в ГИС имеют сложную

многоуровневую структуру, в которой нижние уровни состоят из

элементарных (атомарных) моделей данных. Из элементарных

моделей конструируются более сложные. Конструирование, или

проектирование сложных моделей на основе более простых,

зависит от выбора структуры сложной модели, от типа связей в

сложной модели и от качественных характеристик элементарных

моделей.

Проблема организации базы данных з ГИС сводится к решению

ряда задач, первой из которых является организация моделей

объектов. Это определяет необходимость предварительного

анализа свойств элементарных моделей данных, составляющих

более сложные модели в БД, и выбора базовых теоретических

моделей с учетом конкретной предметной области задач ГИС.

Такой подход позволяет оптимизировать создание

информационной основы и процессы обработки данных в БД.

Оптимизация информационной основы и функционирования

ГИС начинается с анализа базовых моделей данных,

определяющих структуру связей в моделях и образующих более

сложные модели для описания реальных объектов.

3.1. Основные понятия моделей

данных

Вопросы и терминология моделирования данными

недостаточно широко освещены в технической литературе.

Поэтому необходимо дать основные понятия, используемые при

построении и описании моделей данных.

Как правило, реальная ГИС используется для решения

заданного круга задач в конкретной области применения.

Предметной областью называется подмножество (часть

реального мира), на котором определяется набор данных и

методов манипулирования с ними для решения конкретных задач

или исследований.

Рассмотрим информационные единицы, которые составляют

основу организации моделей и структур данных:

• знак - элементарная единица информации, являющаяся

реализацией свойств объекта в заранее заданной, структурно

организованной знаковой системе.

Примеры знаков:

1. В знаковой системе целых чисел знаками будут целые числа

типа

1,2,10,101 и т.д. Но в этой системе знаком не будут являться

дробные

числа, например 0.5, 0.25.

2. В знаковой системе вещественных чисел в качестве знаков

будут

выступать числа типа 0.5,1,1,3,5.356 и т.д.

3. В системе русского алфавита знаками будут буквы а, б, Т и

др.

4. В системе латинского алфавита знаками будут латинские

буквы

X, Y, Z и т.д., но не русские (П,Б и др);

• тип - совокупность моделей или объектов, объединенная

общим

набором признаков, или класс подобных знаков. В приведенном

выше

примере для первой знаковой системы будет тип "целый", для

второй

группы знаков - тип "вещественный", для третьей и четвертой

групп -

"символьный" или "текстовый". Понятие типа данных широко

исполь

зуется в программировании при описании данных. Это понятие

являет

ся частным случаем понятия "типа" в общем. В зависимости от

выбора

признаков может меняться организация типов данных, т.е.

разбиение на

типы. Для выделения типов применяют процедуры типизации;

• типизация - объединение данных по набору заданных

признаков

или

выдел

ение

из

множе

ства

данны

х тех,

котор

ые

удовле

творя

ют за

данны

критер

иям

(или

призна

кам).

нак

можн

расс

матр

ивать

как

реал

изац

ию

типа

, тип

- как

обоб-

щени

совок

упно

сти

знако

в.

След

овательно, знак представляет индивидуальные свойства модели, а

тип - ее общие свойства;

• сущность - элемент модели (совокупность атрибутов и

знаков),

описывающая законченный объект или понятие;

• атрибут - элементарное данное, описывающее свойства

сущно

стей;

• атрибут данных - свойство данных;

• запись данных - формализованное представление сложной

инфор

мационной модели без описания ее структуры. Запись может быть

логи

ческой и физической;

•запись логическая - информационная единица,

соответствующая

одному шагу обработки информации;

•запись физическая - порция информации, которая является

еди

ницей обмена данными между внутренней и внешней памятью

ЭВМ;

•даталогическая модель ГИС - модель логического уровня

описа

ния геоинформационной системы, состоящая из логических

записей и

отображения связей между ними безотносительно к виду

реализации.

Описание даталогической модели называют схемой;

• датологическое проектирование - этап создания даталогичес

кой модели;

•физическая модель ГИС (БД) - модель среды хранения данных

физического уровня. Строится с учетом реальных СУБД и на их

основе,

может рассматриваться как реализация даталогической модели.

Для построения модели объекта в виде составляющих частей и

определения связей между этими частями применяют методы

(процедуры) абстракции, которые тоже образуют целый набор

понятий:

•абстракция - процедура структуризации (типизации) данных.

Раз

личают два вида абстракции: обобщение и агрегация;

•обобщение также подразделяется на две категории: собственно

обобщение и классификация;

•собственно обобщение - процедура соотнесения множества

типов

одному типу соотносится с понятием: "есть часть...";

• классификация - процедура соотнесения множества знаков

одно

му типу;

•экземпляция - процедура (обратная классификации)

порождения

реализации на основе известной классификации;

•специализация - процедура (обратная обобщению) порождения

типов на основе общего класса типов;

•агрегация - процедура конструирования объекта из других

базо

вых объектов; соотносится с понятием "есть некоторые...";

• интенсивная - агрегация на уровне свойств-типов;

• экстенсивная - агрегация на уровне свойств-знаков.

Например, общая схема взаимосвязи данных,

выраженных типами

(общими понятиями), в любой базе данных представляет

собой интен-сионал, а схема взаимосвязи данных,

выраженных конкретным набором значений (набором

знаков), - экстенсионал.

Под агрегативными данными будем понимать набор

данных для формирования объекта из его частей на основе

процедур агрегации.

Процедура, обратная агрегации, называется пошаговой

детализацией. Она применяется для разбиения

агрегативной модели на составляющие части.

Рис.

3.1.

Схема

структу

рирова

ния

данных

при

мен

ение

проц

едур

абст

ракц

ии: а

пря

мые

проц

едур

ы; б

обра

тные

проц

едур

Рис. 3.2. Построение модели на основе процедур обобщения

Рис. 3.3. Построение модели на основе процедур

агрегации

На рис. 3.1 приведена схема проектирования (структурирования )

данных с применением прямых и обратных процедур абстракции.

Для пояснения различия между обобщением и агрегацией приведе-

ны модели одного и того же объекта "личность", но построенные на

основе различных подходов (процедур): с применением метода

обобщений (рис. 3.2) и метода агрегации (рис. 3.3).

Каждая структурно определенная модель позволяет создавать

логическую запись. На рис. 3.4 и 3.5 соответственно приведены

логические записи, построенные для моделей, спроектированных с

использованием агрегации (см. рис. 3.3) и обобщения (см. рис. 3.2).

Записи различаются не только по виду, но и контекстно, так как в

одном случае (см. рис. 3.5) параметры (атрибуты) записи подчеркивают

отношение полного объекта (записи) к другим группам объектов, а в

другом (см. рис. 3.4) - являются атомарными объектами. Другими сло-

вами, модель, построенная на основе обобщений, отражает свойства по

отношению к другим классам моделей или объектов.

Модель, построенная на основе агрегации, может являться разло-

жением сложного объекта на более простые вплоть до атомарных.

Личность

Ф.И.О

Возрас

Адрес

Социальное

3.2. Классификационные

задачи

положение Стаж Зарплата Налоги

Специальность

Рис. 3.4. Логическая запись, построенная на основе агрегации

Личность Социальное положение Административная

принадлежность I Занимаемая должность Тарифный

разряд

Рис. 3.5. Логическая запись, построенная на основе обобщения

При создании информационной основы и анализе данных

используются методы классификационного анализа. Поскольку при

сборе информации для БД приходится иметь дело с результатами

измерений, первые три типа задач классификации определим по

этому показателю. Воспользуемся определением, данным

Кендаллом [5].

К задачам классификации первого типа относятся те, в которых

исходные измерения требуется разделить на устойчивые группы.

Их называют задачами классификации без учителя, кластеризации,

таксономии, типизации. Этот тип классификации основан

преимущественно на опытных данных.

Задачи классификации второго типа характеризуются тем, что

исходные данные уже сгруппированы и требуется оценить их

информативность (значимость) относительно совокупности

известных эталонов. Такого рода задачи встречаются при

распознавании образов, дешифрировании снимков и т.д.

Задачи классификации третьего типа - задачи разбиения. В них

исходные измерения или их функции требуется разбить на

устойчивые группы в зависимости от их величины.