Συστήματα και Επιστήμη Γεωγραφικών Πληροφοριών ΔΕΥΤΕΡΗ ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΗ ΕΚΔΟΣΗ Paul A. Longley, Michael F. Goodchild, David J. Maguire, David W. Rhind © 2005 John Wiley and Sons, Ltd Επιστημονική επιμέλεια Ελληνικής έκδοσης: Γιάννης Θεοδωρίδης © 2010 Εκδόσεις ΚΛΕΙΔΑΡΙΘΜΟΣ 10. Δημιουργία και Συντήρηση Γεωγραφικών Βάσεων Δεδομένων

Περίγραμμα Ορισμοί Χαρακτηριστικά των ΣΔΒΔ Τύποι βάσεων δεδομένων Γεωγραφικές επεκτάσεις Αποθήκευση δεδομένων σε πίνακες ΣΔΒΔ Η γλώσσα SQL Τύποι δεδομένων και συναρτήσεις για γεωγραφικές βάσεις δεδομένων Σχεδίαση γεωγραφικών βάσεων δεδομένων Δόμηση γεωγραφικής πληροφορίας Τοπολογία Μέθοδοι ευρετηρίασης Επεξεργασία και συντήρηση δεδομένων Επεξεργασία από πολλούς χρήστες Συμπεράσματα

Ορισμοί Βάση Δεδομένων – μια ολοκληρωμένη συλλογή δεδομένων συγκεκριμένης θεματολογίας Γεωγραφική (= χωρική) βάση δεδομένων – ΒΔ που περιλαμβάνει γεωγραφικά δεδομένα συγκεκριμένης θεματολογίας για μια συγκεκριμένη περιοχή Σύστημα Διαχείρισης Βάσεων Δεδομένων (ΣΔΒΔ) – λογισμικό για τη δημιουργία, συντήρηση και πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων

Πλεονεκτήματα των ΒΔ έναντι των αρχείων Αποφυγή πλεονασμού και επαναλήψεων Μείωση κόστου συντήρησης Διαχωρισμός εφαρμογών από τα δεδομένων Οι εφαρμογές επιβιώνουν στο χρόνο Μπορούν να υποστηριχτούν πολλές ταυτόχρονες εφαρμογές Καλύτερη διαμοίραση δεδομένων Καθορισμός και επιβολή δικλείδων ασφαλείων και προτύπων

Μειονεκτήματα των ΒΔ έναντι των αρχείων Υψηλό κόστος παραγωγής και συντήρησης Αύξηση της πολυπλοκότητας Μειωμένη απόδοση – ειδικά για πολύπλοκους τύπους δεδομένων Δυσκολία ολοκλήρωσης με άλλα συστήματα

Τύποι μοντέλων ΣΔΒΔ Ιεραρχικό Δικτυακό Σχεσιακό - RDBMS Αντικειμενοστραφές - OODBMS Αντικειμενο-σχεσιακό - ORDBMS

Χαρακτηριστικά των ΣΔΒΔ (1) Υποστήριξη πολλαπλών τύπων δεδομένων π.χ. στο σύστημα MS Access: Text, Memo, Number, Date/Time, Currency, AutoNumber, Yes/No, OLE Object, Hyperlink, Lookup Wizard Φόρτωση δεδομένων από αρχεία, βάσεις δεδομένων και άλλες εφαρμογές Ευρετηρίαση για γρήγορη ανάκτηση

Χαρακτηριστικά των ΣΔΒΔ (2) Γλώσσα επερωτήσεων – SQL Ασφάλεια – ελεγχόμενη πρόσβαση στα δεδομένα Ομάδες πολλαπλών επιπέδων Ελεγχόμενη τροποποίηση με χρήση ενός διαχειριστή δοσοληψιών (transaction manager) Δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας (backup) και δυνατότητα ανάνηψης (recovery) Διαχειριστικά εργαλεία (DBA) Ρυθμίσεις, βελτίωση απόδοσης

Χαρακτηριστικά των ΣΔΒΔ (3) Εφαρμογές Εργαλεία σχεδίασης ΒΔ (CASE) Κατασκευές φορμών και αναφορών Internet Application Server Διασυνδέσεις προγραμματισμού εφαρμογών (API)

Ο ρόλος ενός ΣΔΒΔ

Σχεσιακό ΣΔΒΔ (1) Τα δεδομένα αποθηκεύονται ως πλειάδες (tuples), με τη λογική πινάκων Πίνακας – σύνολο δεδομένων για μια κλάση αντικειμένων 2-διάστατη λίστα (array) Γραμμές = αντικείμενα Στήλες = καταστάσεις αντικειμένων (ιδιότητες, χαρακτηριστικά)

Σχεσιακό ΣΔΒΔ (2) Η πιο δημοφιλής κατηγορία ΣΔΒΔ Πάνω από το 95% των δεδομένων ΣΔΒΔ είναι αποθηκευμένα σε RDBMS Εμπορικά συστήματα IBM DB2 Informix Microsoft Access Microsoft SQL Server Oracle Sybase

Πίνακας Γραμμή = αντικείμενο Στήλη = ιδιότητα Οι κλάσεις αντικειμένων με Γεωμετρία ονομάζονται κλάσεις χαρακτηριστικών Πίνακας = κλάση αντικειμένου

ΒΔ εκτίμησης φόρου (α) ανεπεξέργαστα δεδομένα ParcelNumbOwnerNamOwnerAddressPostalCode Zoning Code Zoning Type Date / AssessedValue 673/100Jeff Peters 10 Railway Cuttings Residential Joel Campbell 1115 Center Place Residential Dave Widseler Commercial Diamond Plaza Commercial D Widseler 452 Diamond Plaza Commercial Sam Camarata19 Big Bend Bld Residential Chris Capelli Hastings Barracks Residential Sheila Sullivan Endin Mansions Residential

ΒΔ εκτίμησης φόρου (β) «καθαρισμένα» δεδομένα

ΒΔ εκτίμησης φόρου (γ) μερικώς κανονικοποιημένα δεδομένα

ΒΔ εκτίμησης φόρου (δ) συνενωμένος πίνακας

Αποτελέσματα υποβολής ερωτήματος SQL

Σχεσιακοί κανόνες (Codd, 1970) Ατομικές τιμές σε κάθε κελί (τομή γραμμής και στήλης) Όλες οι τιμές μιας στήλης αφορούν στο ίδιο αντικείμενο Κάθε γραμμή είναι μοναδική Δεν έχει σημασία η σειρά των στηλών Δεν έχει σημασία η σειρά των γραμμών

Κανονικοποίηση Η διαδικασία μετατροπής των πινάκων ώστε να υποκούν στους σχεσιακούς κανόνες του Codd Διάσπαση πινάκων σε νέους που να μπορούν να συνδεθούν κατά την εκτέλεση των ερωτημάτων Σχεσιακή σύνδεση Διάφορα επίπεδα κανονικοποίησης Κανονικές μορφές (Normal Forms): 1NF, 2NF, 3NF, κλπ. Η κανονικοποίηση επιφέρει πολλές χρονοβόρες συνδέσεις Η από-κανονικοποίηση είναι αποδεκτή για λόγους βελτίωσης της απόδοσης

Σχεσιακή σύνδεση Βασική λειτουργία ερωτημάτων Συμβαίνει λόγω της κανονικοποίησης του γεγονότος ότι τα δεδομένα ορίζονται / συντηρούνται από διαφορετικούς χρήστες, αλλά τα ερωτήματα επιβάλλουν την ολοκλήρωσή τους Οι συνδέσεις των πινάκων γίνονται πάνω σε κοινλά κλειδιά (κοινές τιμές) Η σύνδεση πινάκων (χαρακτηριστικών) έχει επεκταθεί και στο γεωγραφικό χώρο

SQL Structured (Standard) Query Language – (προφέρεται SEQUEL) Αναπτύχθηκε από την IBM στη δεκαετία του 1970 Τώρα αποτελεί de facto και de jure πρότυπο για την προσπέλαση σχεσιακών βάσεων δεδομένων Τρεις τύποι χρήσης Αυτόνομα ερωτήματα Προγραμματισμός υψηλού επιπέδου Ενσωμάτωση σε άλλες εφαρμογές

Τύποι εντολών SQL Γλώσσα ορισμού δεδομένων (Data Definition Language - DDL) Δημιουργία, τροποποίηση, διαγραφή πινάκων δεδομένων CREATE TABLE, CREATE INDEX Γλώσσα χειρισμού δεδομένων (Data Manipulation Language - DML) Ανάκτηση και διαχείριση δεδομένων SELECT, UPDATE, DELETE, INSERT Γλώσσα ελέγχου πρόσβασης σε δεδομένα (Data Control Language - DCL) Ελέγχος ασφάλειας δεδομένων GRANT, CREATE USER, DROP USER

Ιεραρχία κλάσεων γεωμετρίας

Χωρικές σχέσεις μεταξύ γεωμετριών Equals (ίσο με) – είναι οι γεωμτερίες ίδιες; Disjoint (ασύνδετο) – έχουν οι γεωμετρίες κάποιο κοινό σημείο; Intersects (τέμνει) – τέμνονται οι γεωμετρίες; Touches (εφάπτεται) – εφάπτονται οι γεωμετρίες στα όριά τους; Crosses (διασταυρώνεται) – έχουν οι γεωμετρίες σημεία επικάλυψης; (μπορεί να είναι γεωμετρίες διαφορετικών διαστάσεων) Within (μέσα) – βρίσκεται η μία γεωμετρία μέσα στην άλλη; Contains (περιέχει) – περιέχεται πλήρως η μία γεωμετρία στην άλλη; Overlaps (επικαλύπτει) – επικαλύπτονται οι δύο γεωμετρίες; (πρέπει να είναι γεωμετρίες της ίδιας διάστασης) Relate (σχετίζεται) – υπάρχουν κοινά σημεία μεταξύ του εσωτερικού, των ορίων ή του εξωτερικού των γεωμετριών;

Παραδείγματα χωρικών σχέσεων

Μέθοδοι χωρικής ανάλυσης Distance (απόσταση) – συντομότερη απόσταση μεταξύ δύο γεωμετριών Buffer (ζώνη) – γεωμετρική ζώνη γύρω από μια γεωμετρία ConvexHull (κυρτό περίβλημα) – το μικρότερο κυρτό πολύγωνο που περιβάλει μια γεωμετρία Intersection (τομή) – τα κοινά σημεία μεταξύ δύο γεωμετριών Union (ένωση) – όλα τα σημεία δύο γεωμετριών Difference (διαφορά) – τα σημεία της πρώτης γεωμετρίας που δεν ανήκουν στη δεύτερη SymDifference (συμμετρική διαφορά) – τα σημεία της μίας ή της άλλης γεωμετρίας που δεν είναι κοινά και στις δυο

Παραδείγματα χωρικών αναλύσεων

Τέσσερα επίπεδα μοντέλου δεδομένων για έργα GIS

Στάδια σχεδίασης μιας ΒΔ

Τοπολογία Οι δύο κύριες προσεγγίσεις προσανατολισμένες σε ΒΔ Κανονικοποιημένη (Normalized) •Αποθήκευση μιας δομής τόξων (arc) – κόμβων (node) Φυσική (Physical) •Απλά χαρακτηριστικά + κανόνες

Κανονικοποιημένο τοπολογικό μοντέλο ΒΔ

Φυσικό τοπολογικό μοντέλο ΒΔ

Ευρετηριασμός Χρησιμοποιείται για τον γρήγορο εντοπισμό των γραμμών ενός πίνακα Τα σχεσιακά συστήματα ΒΔ χρησιμοποιούν απλά 1-διάστατα ευρετήρια (B-tree, κλπ.) Τα χωρικά συστήματα ΒΔ χρειάζονται 2-διάστατα ιεραρχικά ευρετήρια Grid Quadtree R-tree κ.α. Συνήθως τα ερωτήματα εκτελούνται σε πολλαπλά βήματα για λόγους απόδοσης Χρήση προσεγγιστικών γεωμετριών (Minimum Bounding Rectangle - MBR)

Ευρετηριασμός

Πολυεπίπεδο ευρετήριο πλέγματος (Grid)

Τετραδικό δέντρο σημείων (Point Quadtree)

Τετραδικό δέντρο περιοχών (Region Quadtree)

Σειρά αναζήτησης σε Quadtree

R-tree

Η προσέγγιση MBR

Συναλλαγές ΒΔ: (Α) γραμμικές σύντομες συναλλαγές, (Β) διακλαδούμενο δέντρο εκδόσεων

Συμβιβασμός εκδόσεων (Version Reconciliation)

Ένα δέντρο εκδόσεων για τις διάφορες καταστάσεις της γεωγραφικής ΒΔ Main Plant

Σύνοψη Βάση Δεδομένων – μια ολοκληρωμένη συλλογή δεδομένων πάνω σε ένα συγκεκριμένο αντικείμενο Οι ΒΔ προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των αρχείων Οι σχεσιακές ΒΔ έχουν κυριαρχήσει Υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί όσον αφορά στα GIS