Понятия о базах данных. Графическая и атрибутивная базы данных.

Основнымядромкаждойинформационнойсистемы (иГИСвтомчисле), являетсябазаданных (БД). Под базой данных понимается поименованная совокупность данных, отображающая состояние объекта, его свойства и взаимоотношения с другими объектами, а также комплекс технических и программных средств для ведения этих баз данных.

Всамомобщемсмысле базаданных (БД) - этонаборзаписейифайлов, организованныхспециальнымобразом. ВбазеданныхлюбойГИСможнохранить, например, фамилиииадресадрузейиликлиентов (текстоваяинформация) икартугородаснанесеннымидомами (графическаяинформация), координаты, значенияплощадей, другиеколичественныехарактеристики (метрическаяинформация).

Базыданныхделятсянаиерархические, сетевыеиреляционные.

1) Иерархическиебазыданных устанавливаютстрогуюподчиненностьмеждузаписями.

Дляхраненияданных, имеющихтакуюструктуру, быларазработана иерархическая модельданных, которуюиллюстрируетрис. Входящие в состав такой модели записи об­разуют древовидную структуру - каждая из них связана с одной записью, находящейся на более высоком уровне иерархии. Доступ к любой из записей осуществляется путем прохода по строго определенной цепочке узлов дерева с последующим просмотром соответствующих этим узлам записей.Для достаточно простых задач иерархическая система эф­фективна, но она практически непригодна для использования в сложных системах с оперативной обработкой запросов и распре­деленной архитектурой. Иерархическая организация трудно мо­дифицируема и поэтому не может обеспечить быстродействие, необходимое для работы в условиях одновременного модифици­рования файлов несколькими прикладными системами.

Рисунок - Иерархическая база данных

2) Сетевыебазы данныхэто база данных, в которой одна за­пись может участвовать в нескольких отношениях предок-потомок. Фактически база данных представляет собой не дерево,а произвольный граф. Все данные считаются потенциально взаимосвязанными (рис).

Использовалисьвтомслучае, еслиструктураданныхоказываласьсложнее, чемобычнаяиерархия, т.е. простотаструктурыиерархическойбазыданныхстановиласьеёнедостатком. Каксетевые, такииерархическиебазыданныхбылиоченьжесткими. Наборыотношенийиструктурузаписейприходилосьзадаватьзаранее.

Землепользование

Изменениеструктурыбазыданныхобычноозначалоперестройкувсейбазыданных,адляполученияответаназапросприходилосьписатьспециальнуюпрограммупоискаданных. Реализацияпользовательскихзапросовчастозатягиваласьнанеделиимесяцы, кмоментупоявленияпрограммыинформация, которуюонапредоставляла, частооказываласьбесполезной.

3)Реляционнаямодель былапопыткойупроститьструктуруБД. Реляционной считается такая база данных, в которой все данные представлены в виде простых таблиц, разбитых на стро­ки и столбцы, и все операции над базой данных сводятся к ма­нипуляциям с таблицами.

Особенности реляционной базы данных можно сформулировать следующим образом:

1) Данные хранятся в таблицах, состоящих из столбцов ("атрибутов") и строк ("записей", "кортежей").

2) На пересече­нии каждого столбца и строчки стоит в точности одно значение.

3) У каждого столбца есть своё имя, которое служит его назва­нием, и все значения в одном столбце имеют один тип.

4) Запросы к базе данных возвращают результат в виде таблиц, которые тоже могут выступать как объект запросов.

5) Строки в реляци­онной базе данных неупорядочены - упорядочивание произво­дится в момент формирования ответа на запрос.

Болеенаглядноструктурутаблицыиллюстрируетрис.5.5.2, накоторомизображенатаблицаРАЙОНЫ.

Каждаягоризонтальная строка этойтаблицыпредставляетотдельнуюфизическуюсущность – одинадминистративныйрайон. Онажепредставленанакартеотдельнымграфическимобъектом.

Все N строктаблицывместепредставляютвсе N районоводнойобласти. Вседанные, содержащиесявконкретнойстрокетаблицы, относятсякрайону, которыйописываетсяэтойстрокой.

Всезначения, содержащиесяводномитомжестолбце, являютсяданнымиодноготипа. Например, встолбце Районныйцентр содержатсятолькослова, встолбце Площадь содержатсядесятичныечисла, австолбце ID содержатсяцелыечисла, представляющиекодыобъектов, установленныепользователем. Связьмеждутаблицамиосуществляетсяпо полям.

Каждаятаблицаимеетсобственный, заранееопределенныйнаборпоименованныхстолбцов (полей). Полятаблицыобычносоответствуютатрибутамобъектов, которыенеобходимохранитьвбазе. Количествострок (записей) втаблиценеограниченоикаждаязаписьнесетинформациюокаком-либообъекте.

Насегодняшнийденьреляционныебазыданныхявляютсянаиболеепопулярнойструктуройдляхраненияданных, посколькусочетаютвсебенаглядностьпредставленияданныхсотносительнойпростотойманипулированияими.

Общепринятым стандартом языка работы с реляционными базами данных является язык SQL.К числу наиболее известных СУБД реляционного типа от­носятся dBase, Clipper, FoxBASE, Paradox, ORACLE, MicrosoftAccess.

 

ВреляционныхБДсодержатсядватипаданных: графическиеиатрибутивные (илисемантические).

Вграфическойбазеданныххранитсятакназываемаяграфическаяилиметрическаяосновакартывцифровомвиде. Кроме метрической информации объекты должны обладать временной и описательной информацией.

Атрибутивнаябазаданныхсодержитвсебеопределеннуюсмысловуюнагрузкукартыидополнительныесведения, которыеотносятсякпространственнымданным, нонемогутбытьпрямонанесенынакарту- этоописаниетерриторииилиинформация, описывающаякачественныехарактеристикиобъектов (атрибуты). Таблица, содержащаяатрибутыобъектов, называется таблицейатрибутов, напримерприсборехарактеристикпогородуможноуказатьчисленность жителей, числотеатровиконцертныхзалов, протяженностьавтодорогилинийсвязи; порайону - егообщаяплощадьичислоземлепользователей; посотрудникупредприятия - имя, фамилия, отчество, пол, возраст, стажработы, размерзаработнойплатыит. д. Идляхранениявсейэтойинформацииприменяютатрибутныетаблицы.

Каждая строка таблицы соответствует одному объекту; каждый столбец – тематическому признаку; ячейка, находящаяся на пересечении строки и столбца, отражает значение определенного признака выбранного объекта. Важным атрибутом являются временные характеристики.

ВГИСобычновстроенынетолькосредстваотображениябазыданных, ноиспециальныепрограммы- такназываемыесистемыуправлениябазамиданных (СУБД).

СиспользованиемСУБДосуществляетсяпоиск, сортировка, добавлениеиисправлениеинформациивбазахданных. Этотмодульпозволяетсоздатьновуюатрибутивнуютаблицу, заполнитьееипривязатьккарте.

Неследуетпонимать, чтографическиеобъектыживутсамипосебе, аатрибутика - самапосебе. Напротив, интеграциядостигаетпоройтойстепени, когдаграфическийобъектфизическихранитсякакодноизполейатрибутивнойтаблицы, несколькожедругихполейреальновтаблицебазыданныхнесуществуют, аотображаютавтоматическиотслеживаемыегеографическиепараметрыобъекта (длину, периметр, площадь.)

Атрибутивныебазыданныхнетолькопомогаютпо-разномуотобразитьобъектысразличнымисвойствами. Привыполнениипространственныхзапросоватрибутикапомогаетболееточноидентифицироватьобъект - всамомпростомслучаемыможемуказатьобъектнакартеиполучитьонемподробнуюинформацию (номер, имя, размерит.д.) Можно, разумеется, организовыватьвыборобъектовнакартепосредствомзапросовкатрибутивнойтаблице, таккакмызнаем, чтовыделениеобъектовсвязаносвыделениемихатрибутивныхзаписей.

Всеобъектыипримитивыдолжныиметьсвойномерилиидентификатор, припомощикоторогоможнопоставитьвсоответствиекграфическойинформацииатрибутивную (рис.5.5.3).

Использованиеидентификаторовоткрываетширокиевозможностидляпросмотраианализакартографическогоизображения. Пользовательможетуказатьнаобъект, напримеркурсором, исистемаопределитегоидентификатор, покоторомунайдетотносящиесякобъектуоднуилинесколькобазданныхи, наоборот, поинформациивбазеопределитграфическийобъект.

Однаконаборзаписей (иногданесколькосоттысяч), содержащийграфическую (метрическую) иатрибутивнуюинформациюокаком-либообъектехотьиоченьпохож, однакоещеоченьдалекоттогообразареальногомира, которыймыназываемкартой. Покаможноговоритьтолькоотом, чтомножествоцифровыхданныхопространственныхобъектахобразуетцифровуюмодельобъектаместности, содержащуюсведенияоегоместоположении (координаты) инаборсвойствихарактеристик (атрибутов).

Рассматриваявопросоцифровыхмоделях, нельзянеотметить, чтовреальныхГИСмыимеемделонесабстрактнымилиниямииточками, асобъектами, занимающимипространственноеположениеиимеющимисложныевзаимосвязимеждусобой. Поэтомуполнаяцифроваямодельобъектавцифровойкартевобязательномпорядкевключаетвсебя:

· геометрическую (метрическую) информацию;

· атрибуты-признаки, связанныесобъектомиегохарактеризующие;

· неметрические (топологические) характеристики, которыеобъясняютсвязимеждуобъектами.

Ктопологическимхарактеристикамможноотнести: ориентацию (поотношениюодногообъектакдругому); примыкание (наличиеобщейграницыиточек); включение (вложенностьконтуров), совпадение (наложениеодногообъектанадругой) ит.п.

Топологическиехарактеристикизаносятсяприкодированииданныхввидедополнительныхатрибутов. ЭтотпроцессвомногихГИСосуществляетсяавтоматическипридигитализацииданных.

 

Форматы графических файлов.

Файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы). Метод сжатия LZW (Lempel-Ziv-Welch) действует гораздо лучше, чем RLE при сжатии произвольных графических данных, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее.

GIF позволяет записывать изображение «через строчку» (Interlaced), благодаря чему, например, при отображении файла в Интернет можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением, задолго до окончания полной загрузки файла. В 1989 г. формат был модифицирован (GIF89a) за счёт добавления поддержки прозрачности и анимации. В результате в GIF можно установить один или более цветов прозрачными, эти цвета станут невидимыми в программах просмотра Интернет и некоторых других. Кроме того, файл GIF может содержать не одну, а несколько растровых картинок, которые программа может подгружать одну за другой с указанной в файле частотой. Так достигается иллюзия движения(GIF-анимация). Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может быть записано только в режиме 256 цветов. Это ограничение обусловливает применение данного формата в основном при создании электронных публикаций для сети Интернет.

ФорматJPEG (JointPhotographicExpertsGroup) был разработан группой экспертов в области фотографии в рамках ISO (Международной организации по стандартизации) специально для сжатия 24-битных изображений. Данный формат представляет эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета. Главное отличие формата JPEG от других состоит в том, что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями, который необратимо искажает изображение. Это не сильно заметно при его простом просмотре, но становится явным при детальной работе с изображением. Как правило, при сохранении графического изображения в формате JPEG в специальном диалоговом окне можно задать степень сжатия. При этом, чем выше уровень сжатия, тем ниже качество. Но зато, используя JPEG, можно получить файлы иногда в несколько сотен раз меньше по объему, чем в форматеBMP. Формат JPEG аппаратно независим, поддерживается на IBMPC и AppleMacintosh. Существуют также различные версии JPEG: BaselineOptimized, Progressive. Особенностью JPEGProgressive является поддержка чересстрочного вывода. Формат JPEG идеально подходит для обычного пользователя, т.к. в данном формате можно хранить полноцветные24-битовые изображения при малом объеме без больших потерь качества. Однако, стоит заметить, что JPEG не подходит для хранения «контурных» рисунков (карт), т.к. из-за особенностей алгоритма сжатия контуры и текст становятся размытыми, т.к. из-за особенностей алгоритма сжатия контуры и текст становятся размытыми. Поскольку в «PEG отсутствует истинная информация о цвете, он практически не пригоден для работы с ДДЗЗ (цветокоррекция и т.п.).

также включать информацию о номере версии формата или сведения об авторских правах. Наиболее распространены такие растровые форматы, как BMP, TIFF, PCX, GIF, JPEG.

ФорматBMP (WindowsBitmap) используется ОС Windows (MicrosoftCorp.) для внутреннего хранения растровых изображений. Он является форматом, который по умолчанию используется Windows-приложениями, создающими растровые рисунки. К плюсам данного формата можно отнести поддержку любыми Windows-совместимыми программами. В качестве недостатка формата BMP можно указать слабые возможности сжатия. В данном формате используется метод сжатия RLE, который применим только к 4- и 8-битным изображениям. В общем, файлы BMP, как правило, занимают больше места на диске, чем файлы других форматов. К тому же применение файлов BMP ограничено платформами Windows и OS/2 и невозможно на других (например, Macintosh).

ФорматTIFF (TaggedImageFileFormat) является одним из самых распространённых и надёжных и используется для хранения растровых изображений высокого качества. Формат TIFF - аппаратно независимый, т.е. его поддерживают практически все графические программы на IBMPC и AppleMacintosh. Ему доступен весь диапазон цветового охвата от черно-; белого до моделей RGB и CMYK. Кроме того, данный формат может сохранять разнообразные дополнительные сведения о растре, включая: кривую коррекции для изображения с оттеками серого; поля детальной информации об изображении (название программы, автора, дату создания и комментарии); размер изображения и разрешающую способность; детальную информацию о цвете оригинала (Основы..., 1998). Для формата TIFF доступны разнообразные схемы сжатия (например, встроенный алгоритм LZW). Благодаря хорошей цветопередаче и наличию эффективного механизма сжатия, формат TIFF идеально подходит для хранения сканированных аэрофото- и космических снимков (с глубиной цвета до 48 бит), а также топокарт (с индексированными цветами 4 или 8 бит на пиксел) [16].

ФорматPCX (PCPaintBrushFileFormat) является одним из наиболее распространённых и был разработан фирмой Z-Soft для программы PCPaintBrush. Открывать или импортировать файлы PCX могут почти все графические приложения для персональных компьютеров. Применяется сжатие RLE. Однако PCX не поддерживает модель CMYK или другие модели, отличные от RGB. Неудобная схема сжатия может даже увеличивать размеры некоторых файлов. В настоящее время данный формат считается устаревшим.

Независящий от аппаратного обеспечения форматGIF (GraphicsInterchangeFormat) был разработан в 1987 г. фирмой CompuServe специально для передачи растровых изображений по сетям (GIF 87а). Поэтому этот формат отличается очень эффективным механизмом сжатия и некоторыми функциями, ускоряющими загрузку изображения с Web- страниц. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет неплохо сжимать наоборот.AI несколько уступает CDR по иллюстративным возможностям: в одном файле может содержаться только одна страница, маленькое рабочее _поле— всего 3x3 м. Тем не менее, он отличается наибольшей стабильностью _и совместимостью с языком PostScript фирмы Adobe, на который ориентируются практически все издательско-полиграфические приложения.

EPS (EncapsulatedPostScript) - формат описания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript. Главным достоинством этого формата является его универсальность. Едва ли не все программы, работающие с графикой, могут писать и читать файлы в этом формате. В файле EPS могут одновременно храниться векторная и растровая графика, шрифты, параметры калибровки оборудования, цветовые профили. Кроме этого, формат EPS позволяет записать векторный контур, ограничивающий растровое изображение. Так, например, можно получить не прямоугольную фотографию, а круглую, овальную или любой другой формы. Для отображения на экране векторного содержимого файла EPS используется формат WMF, а растрового - TIFF. Но экранная копия лишь в общих чертах отображает реальное изображение, что является существенным недостатком EPS. Действительное изображение можно увидеть лишь на выходе выводного устройства с помощью специальных программ просмотра или после преобразования файла в формат PDF в приложениях AdobeAcrobatReader и AcrobatExchange. Одним из недостатков формата EPS также является то, что EPS-файлы, созданные различными программами, открываются по-разному, а порой и вовсе не открываются. Это происходит в основном из-за наличия нескольких версий языка PostScript.

Формат PDF (PortableDocumentFormat) предложен фирмой Adobe как независимый от платформы формат, в котором могут быть сохранены и графические изображения (векторные и растровые), и текст с множеством шрифтов и гипертекстовых ссылок. Так как шрифты содержатся непосредственно в документе PDF, то документ всегда будет выглядеть так, как задумал его автор, на любом компьютере, независимо от используемого на нём программного обеспечения. Данный формат отличается очень компактным хранением информации. Для достижения минимального размера файла при высоком качестве иллюстраций в PDF используется мощный алгоритм сжатия, причём каждый вид объектов в документе сжимается по наиболее выгодному для него алгоритму (например, растровые изображения записываются в формате JPEG). Просматривать документы в формате PDF и распечатывать их на принтере можно с помощью бесплатной программы AdobeAcrobatleader. Однако эта программа не даёт возможности создавать или изменять PDF-файлы. Многие графические пакеты (AdobePageMaker, CorelDRAW, FreeHand) имеют функции экспорта документов в PDF. Исходя из практического отсутствия программного обеспечения для редактирования PDF-файлов, обычно в этом формате хранят документы, предназначенные только для чтения, но не для редактирования.

 

2.3.2 Векторные форматы

 

В отличие от растровых форматов, в сфере векторной графики практически отсутствуют стандартные форматы, которые могли бы использоваться различными программами и на разных платформах. Почти все векторные графические программы имеют свои собственные форматы, что связано, скорее всего, со спецификой алгоритмов формирования векторного изображения. Файлы векторных форматов содержат описания изображения в виде набора команд для построения графических примитивов, а такте некоторую дополнительную информацию. Различные векторные форматы отличается набором команд и способом их кодирования. Но так как в векторной графике иногда существует необходимость переноса файлов между различными приложениями, то своего рода стандартом стали файловые форматы WMF, CDR, AI. Также получили популярность некоторые универсальные форматы, поддерживающие как векторные, так и растровые изображения: EPS, PDF