Багатошарові моделі даних ГІС

У той час, як растрові і векторні структури даних дають засоби відображення окремих просторових феноменів на окремих картах, все-таки існує необхідність розробки більш складних підходів, що мають назву моделі даних, для включення в базу даних взаємин об'єктів, зв'язування об'єктів і їхніх атрибутів, забезпечення спільного аналізу декількох шарів карти.

Растрові моделі. Кожен осередок у найпростішій такій структурі зв'язаний з одним значенням атрибута. Для створення растрової тематичної карти збирають дані про визначену тему у формі двомірного масиву осередків, де кожен осередок представляє атрибут окремої теми. Такий двомірний масив називається покриттям. Використовують покриття для представлення різних типів тематичних даних (землекористування, рослинність, тип ґрунту, поверхнева геологія, гідрологія і т.д.).

Існує кілька способів збереження й адресації значень окремих осередків растра, їхніх атрибутів, назв покрить і легенд. У цій моделі кожен осередок містить всі атрибути начебто вертикального стовпчика значень, де кожне значення відноситься до окремої теми. Так, значення атрибута типу ґрунту в позиції Х=10, У=10 буде знаходитися поруч зі значенням атрибута типу рослинності в тій же позиції Х= 10, У= 10.

У той час як растрові ГІС традиційно розроблялися для представлення одиночних атрибутів, збережених індивідуально для кожного осередку растра, деякі з них достигли стану використання прямих зв'язків з існуючими СУБД. Такі розширення растрової моделі даних дозволили також установити прямий зв'язок з ГІС, що використовують векторну структуру графічних даних. Оскільки такі інтегровані растрово-векторні системи включають модулі, що перетворять інформацію з растрової форми у векторну і назад, користувач може використовувати достоїнства обох структур даних. Процес перетворення часто прозорий, так що користувачеві навіть не потрібно турбуватися про вихідну структуру даних.

Ця можливість особливо важлива, оскільки вона підсилює взаємодію між програмним забезпеченням традиційної обробки цифрових зображень і геоінформаційними системами.

Векторні моделі даних. Векторні структури даних дають представлення географічного простору більш інтуїтивно зрозумілим способом і очевидно більше нагадують добре відомі паперові карти. Існують кілька способів об'єднання векторних структур даних у векторну модель даних, що дозволяє досліджувати взаємозв'язки між показниками всередині одного покриття або між різними покриттями. Найпростішою векторною структурою даних є спагетті-модель [I. Dangermond, 1982], що по суті переводить "один в один" графічне зображення карти.

У цій моделі сусідні області повинні мати різні ланцюжки спагетті для загальних сторін. Тобто, не існує областей, для яких який-небудь ланцюжок спагетті був би загальним. Кожна сторона кожної області має свій унікальний набір ліній і пару координат. На відміну від спагетті-моделі, топологічні моделі [I. Dangermond, 1982], містять топологічну інформацію в явному виді. Для підтримки сучасних аналітичних методів потрібно внести в комп'ютер якнайбільше явної топологічної інформації. Топологічна модель даних поєднує рішення деяких з найбільш часто використовуваних у географічному аналізі функцій. Це забезпечується включенням у структуру даних інформації про суміжність для усунення необхідності визначення її при виконанні багатьох операцій. Топологічна інформація описується набором вузлів і дуг. Вузол (більше, ніж просто крапка, звичайно це перетинання двох або більш дуг, і його номер використовується для посилання на будь-яку дугу, якій він належить. Кожна дуга починається і закінчується або в крапці перетинання з іншою дугою, або у вузлі, що не належить іншим дугам. Дуги утворяться послідовностями відрізків, з'єднаних проміжними (формотворними) крапками. У цьому випадку кожна лінія має два набори чисел: пари координат проміжних крапок і номера вузлів. Крім того, кожна дуга має свій ідентифікаційний номер, що використовується для вказівки того, які вузли представляє її початок і кінець.

Неефективність збереження і пошуку, властивої базової топологічної моделі усувається роздільним збереженням кожного типу об'єктів (крапки, лінії, області). Ці окремі об'єкти потім зв'язуються в ієрархічну структуру даних, де крапки через покажчики зв'язані з лініями, а лінії - з областями. Кожен набір відрізків, називаний у даній моделі ланцюжком, починається і закінчується у визначених вузлах (перетинаннях двох ланцюжків).

Існування гібридної моделі даних ГІС - підтвердження того, що хоча її структури даних ефективні стосовно графічних характеристик об'єктів, їм не дістає тієї ж ефективності в управлінні атрибутивними даними          [P. Аrоnsоn, 1985; S.Моrеhоusе, 1985]. І навпаки, СУБД загальновизнані як засіб управління атрибутивними типами даних, але погано пристосовані до роботи з графічними об'єктами. Виглядає цілком логічним, що програмне об'єднання цих двох технологій дозволить узяти краще з кожної. Для реалізації цього підходу координатні і топологічні дані, необхідні для графіки, зберігаються як окремий набір файлів. Таблиці атрибутів, що містять усі необхідні описові дані для кожного графічного об'єкта, зберігаються окремо або в інших файлах, або під управлінням СУБД загального призначення. Зв'язок між графікою й атрибутами здійснюється через ідентифікаційні коди графічних об'єктів, що маються в графічних файлах, і які також зберігаються в окремому стовпчику атрибутивної БД. Завдяки можливості зовнішнього збереження багатьох атрибутів для кожного об'єкта ростуть аналітичні можливості і можлива економія пам'яті.

Іншим підходом до збереження графічних і атрибутивних даних є інтегрована модель даних. У цьому випадку ГІС є процесором просторових запитів, надстроєним над стандартної СУБД, що використовується для збереження як атрибутивної, так і графічної інформації [Gaptill, 1987; Моrеhоusе, 1989]. Інтегрована система зберігає координати об'єктів карти й атрибути в різних таблицях однієї БД, що зв'язуються механізмом, подібним реляционному з'єднанню [R.G. Неаlеу, 1991]. Крім того, атрибути можуть розміщатися в тих же таблицях, що і графіка.

Існують два способи збереження координатної інформації в реляційних таблицях. У першому записуються окремі пари координат, що представляють крапкові об'єкти, а також кінцеві і проміжні крапки ліній і границь областей, як індивідуальні атоми, або рядка, бази даних. Інтегрована модель може записувати в один стовпчик таблиці цілі ланцюжки координатної інформації. Таким чином, одна область може бути описана одним рядком таблиці, що містить в одній колонці ідентифікатор області, а в іншій - список ідентифікаторів ліній. Тоді лінії, ідентифікуємі за цим кодом в окремому стовпчику таблиці ліній описували би розташування області набором пари координат.

Крім двох уже розглянутих моделей високого рівня на сцену виходить третя, називана об'єктно-орієнтованою моделлю даних. Ця модель включає мову просторових запитів [R.G.Неаleу, 1991] і відбиває визнання того факту, що потрібен об'єктно-орієнтований доступ і до БД ГІС і до виконуємих з нею операціям. Ідеї, що лежать в основі цих систем практично ідентичні об'ектно-орієнтованому підходові в програмуванні [P.Аrоnsоп, 1987].