13006

Принципи побудови та особливості структур баз даних в геоінформаційних системах реального часу

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Лекция №2.1. Принципи побудови та особливості структур баз даних в геоінформаційних системах реального часу. План 2.1.1. Принципи побудови та особливості структур баз картографічних даних в ГІС ОУ 2.1.2. Специфіка організації процесу зберігання графічної інформації. ...

Украинкский

2013-05-07

112 KB

4 чел.

Лекция №2.1.

Принципи побудови та особливості структур баз даних в геоінформаційних системах реального часу.

План

2.1.1. Принципи побудови та особливості структур баз картографічних даних в ГІС ОУ

2.1.2. Специфіка організації процесу зберігання графічної інформації.

2.1.3. Принципи представлення й обробки графічної інформації.

2.1.4. Модель графічних даних.

2.1.1. Принципы построения и особенности структур баз картографических данных в ГИС ОУ

Важными свойствами картографических моделей местности являются их обзорность и наглядность. Первое свойство отличается тем, что наблюдатель может с помощью карты единым взглядом охватить всю отображенную на ней часть земной поверхности. А свойство наглядности объясняется той легкостью и скоростью, с которыми человек уясняет особенности показанных на карте явлений. Отбор и обобщение их качественных и количественных характеристик происходит достаточно быстро и, в конечном итоге, у них возникает «образ местности», адекватный действительности.

Добавим, что важнейшей особенностью картографического представления является тот факт, что все явления и объекты, расположенные вблизи земной поверхности, оказываются спроектированными на эту поверхность, что, в свою очередь, дает возможность устанавливать по картам географическое положение изображенных на них объектов, их размеры и взаимное расположение. Отсюда вытекает важнейшее свойство картографических моделей - точность в определении местоположения изображенных на них объектов.

Значимость этого факта трудно переоценить. Практически все виды систем отображения картографической информации всех мыслимых приложений используют его в большей или меньшей мере. Перечисленными свойствами одновременно не обладает ни один из других видов изображений земной поверхности: аэро- и космические снимки, рисунки, математические модели и т.п.

Главные принципы построения обычных баз данных являются  приемлемыми и при организации баз картографических данных ГИС ОУ.

Отметим следующие: принцип иерархичности, принцип непрерывного развития и обновления, принцип гибкости и принцип модульности.

Принцип иерархичности  предполагает развитие БКД как вверх, так и вниз. При этом происходит усложнение структуры как следствие образования информационных уровней более высокого ранга, так и детализации уровней низкого ранга. В обоих случаях принцип иерархичности предполагает четкое определение места каждого элемента БД в иерархической структуре и указание его возможных логических связей с элементами вышестоящих и нижестоящих уровней, а также с элементами того же уровня [66]. Например: серия карт, лист карты, элемент содержания, данные по любому элементу, включающие в себя классификационный код, признаки, справочную информацию, координаты на земной поверхности, графические символы и т.д.

Принцип непрерывного развития и обновления накладывает определенные ограничения на выбор структуры БКД ГИС ОУ. Так, для обеспечения работы системы в реальном времени способ организации массивов, имеющих древовидную структуру предпочтительнее других, так как он обеспечивает возможность быстрого наращивания и обновления информации, записанной в вершинах дерева. В таком случае время поиска нужных картографических слоев считается минимальным [67].

Принцип гибкости предполагает разработку более гибких структур баз картографических данных, которые должны обеспечить возможность выделения любого подмножества данных, параллельного их обновления, выбора необходимой поисковой стратегии [68].

Принцип модульности предполагает относительную самостоятельность компонентов БКД ГИС ОУ, что позволяет обеспечить эффективную организацию ее разработки. В то же время, согласно принципу непрерывного развития и обновления, а также гибкости, набор информационных модулей должен быть достаточно полным и обладать возможностями наращивания.

В конечном счете, организация БКД ГИС ОУ должна обеспечить полноту, минимальный объем, точность и достоверность хранимых данных, максимальную эффективность обработки, простоту внесения изменений и быстрый доступ к данным.

2.1.2. Специфика организации процесса хранения графической информации.

Одной из основных концепций, используемых при организации хранения графической информации в системах отображения АСУ, в целях ее обработки и оперативного представления оператору, является понятие база графических данных [80].  Обладая большой информационной емкостью и наглядностью, графические изображения требуют для хранения значительного объема памяти. Известные методы кодирования и сжатия информации, позволяют сократить необходимый ее объем, но полностью проблемы не решают, особенно при наличии большого количества многообразных по форме и композиции изображений. Существенное сокращение объема графической информации может быть достигнуто путем устранения избыточности или дублирования хранимых данных, а также применением различных методов обработки, позволяющих получать из исходных данных производные изображения в различных видах, проекциях, масштабах, с разной степенью детализации и т. д. В связи с вышеизложенным  возникает необходимость поиска новых более эффективных способов организации процесса хранения, преобразования графических данных с последующим построением производительных структур баз таких данных.

2.1.3. Принципы представления и обработки графической информации

Прежде чем приступить к поиску новых методов и средств построения баз данных для ГИС ОУ, рассмотрим принципы представления обыкновенных графических изображений и, соответственно,  структуры баз данных для таких представлений. Различают позиционное, структурное и комбинированное представления изображений.    

Позиционное представление применяется для изображений, получаемых в виде неделимых элементов разложения (растра). Здесь важно определить способ описания взаимосвязей между этими элементами и возможную фрагментацию изображений при их записи или хранении. Для сжатия данных обычно используются статические методы.  Достоинство этого представления — простота получения изображения на растровых или матричных устройствах отображения. Недостатки — большой объем памяти, сложность идентификации какого-либо объекта и трудоемкость внесения частичных изменений в изображение. Это приведет к использованию структур данных, преимущественно на последнем этапе обработки, перед выводом на индицирующее устройство с помощью ОЗУ регенерации или при описании площадных  фоновых изображений (космическая аэрофотосъемка).                      

При структурном представлении изображений создаются наборы объектов, определяемых на основе базисных элементов [81]. При этом решается проблема эффективного использования и спецификации связей между объектами, качественного описания их формы, вопросы о способах организации хранения данных об объектах и их связях, об устранении противоречий при наложениях графической информации. Достоинства такой схемы построения модели очевидны -  наличие структурированных данных позволяет получить из ограниченного набора базисных элементов достаточных приображений для большого количества видов и проекций изображений. Упрощаются операции замены, вращения и перемещения как фрагмента, так и всего изображения. Образованные структурные связи между графическими данными облегчают процесс поиска и извлечения информации. К недостаткам этого метада нужно отнести необходимость разработки комплекса программ для создания, поддержки и изменения структур хранения, введения нескольких этапов обработки данных, причем на последнем этапе требуются специальные программы генерации графических примитивов (точка, вектор, окружность и т. п.), которые осуществляются соответствующими аппаратными генераторами. Процедура формирования изображения из структурированных данных показана на рис. 2.1, из которого видно, что представление, сочетает в себе перечисленные выше атрибуты, обеспечивает организацию (БГД) — хранилища графических данных, обеспечивает принцип независимости хранимой информации от обрабатывающих программ, оптимизирует объем памяти и время доступа. В зависимости от области применения некоторые этапы такого построения могут видоизменяться или вообще отсутствовать. Рассмотрим  принципы разбиения процесса по частям,  отражающего специфику организации хранения двухмерной графической информации.

Представленная в БГД информация обладает пространственными и геометрическими свойствами. К последним можно отнести вид примитива (точка, кривая, вектор, дуга и т. д.), тип линии (s, s/2, пунктир, ...), ориентацию сегмента и т. п. Пространственные данные применяются для координатного описания графических элементов, примитивов, сегментов и образов. Координаты подразделяются на несколько видов. На уровне пользователя БГД они задаются в единицах, которые являются естественными для данного приложения, поэтому их называют координатами пользователя. При построении изображения, путем определенных преобразований, отображаются мировые координаты в физическое адресное пространство устройства отображения. Для устранения аппаратной зависимости геометрических и видовых преобразований и их упрощения вводят нормированные координаты, рис. 2.2. Нормирование нужно производить относительно диапазона действительных чисел (обычно от 0 до 1). В некоторых приложениях с целью ускорения процесса преобразований диапазон задается в виде целых чисел с учетом точности вычисления координат.

Как видно из рисунка, «окно» используется для указания части мирового координатного пространства, подлежащего отображению. Поле вывода — это область внутри пространства нормированных координат, куда после преобразования нормирования помещается окно вывода. Аналогично, окно станции и поле вывода станции служат для указания отображения части (всего) нормированного пространства в физические координаты поля вывода устройства отображения.

В случае большой размерности или насыщенности мирового пространства ГИС, база картографических данных может быть представлена с помощью метода структуризации графической информации в виде совокупности файлов, объединяющих данные по пространственному признаку. Таким образом, оказывается   возможным   ввести   так  называемые   «зоны»   или  «страницы», с помощью которых все мировое пространство делится на локальные фрагменты прямоугольной или близкой к ней формы в виде блоков хранения, соответствующих определенным участкам земной поверхности, их размеры задаются в географических координатах по широте и долготе.

Поскольку особенности организации и методы построения  БКД будут подробно освещены далее, ограничимся лишь некоторыми вопросами, показывающими взаимосвязь блоков в базе, иллюстрирующую основные концепции организации обработки графической информации в целях последующего формирования дисплейного файла, необходимого для построения динамического изображения, рис. 2.3.

Отметим также, что БКД обычно размещается во внешней памяти ЭВМ на носителях, позволяющим прямой метод доступа. По координатам местоположения окна вывода производится расчет номеров, выборка и передача файлов БКД, которые полностью или частично могут отображаться на экране системы отображения. Расчет номеров файлов такой базы нужно проводить с учетом размера окна вывода. При этом нужно учитывать как прогнозируемое направление движения окна, так и возможность его вращения.

На следующем этапе формирования дисплейного файла происходит отсечение неотображаемой части блоков хранения, переход к нормированным координатам и декодирование графической информации. В качестве нормированных координат могут использоваться некоторые промежуточные координаты: например, центра или левого (нижнего) угла поля вывода. Полученное структурное изображение представляет собой информацию, готовую к непосредственной передаче на графическую станцию (дисплей), но записанную в формате БКД. Для ускорения преобразования данных из формата базы в формат дисплейного файла, ориентированного на определенное устройство СО, может применяться отдельная микро ЭВМ или специальный графический процессор. В их памяти и размещается структурированное изображение. Использование на данном этапе стандартных графических систем для синтеза изображений обеспечивает аппаратную независимость процесса преобразований, но ухудшает временные характеристики. В настоящее время широкую известность получили графические системы: Core, PHIGS и Международный стандарт GKS и др.

В конкретной реализации и, в частности, при распараллеливании обработки (по информационным слоям, по фрагментам  изображения  и  др.) объем  оперативной памяти, отводимой под промежуточные структуры изображения, зависит от насыщенности изображения, скорости его движения, быстродействия средств обработки и других факторов. Теоретически возможна организация обработки и без промежуточных структур (расширенной области  и  структурированного  изображения), что часто встречается в системах машинной графики при снятии требования обработки в реальном времени. В большинстве случаев нет необходимости полностью обновлять всю информацию, составляющую изображение кадра. Например, при формировании движущихся изображений на экране СО появляются новые элементы, и полное изменение произойдет через некоторый интервал времени, определяемый скоростью движения изображения и размерами поля вывода. Для реализации идеи частичного  обновления  данных в дисплейном файле вводят сегментирование.  Это  позволяет  осуществлять подкачку в файл новых сегментов, сохраняя статичные т. е. без изменений их конфигураций.

В   качестве   сегмента могут выступать графический объект, описанный группой примитивов, или определенный участок изображения. Для устранения срыва и искажений картинки на экране СО при замене информации в дисплейном файле вводят двойную буферизацию. Новые графические данные выступающие в дальнейшем как команды дисплейного процессора записываются в некоторой   неиспользуемой   части  дисплейного   файла. После окончания их формирования управление передается на данную область дисплейного файла, а старая освобождается для дальнейшего применения. Двойной буферизации можно избежать, если при модификации изображения останавливать работу дисплейного процессора. В этом случае достигается существенная экономия аппаратуры, но отсутствие буфера регенерации в устройстве отображения может привести к  исчезновению картинки на экране СОИ.

И наконец, при организации хранения информационной модели изображения в БГД необходимо учитывать двойственность представления данных и, соответственно, необходимость синтезировать две структуры: семантическую, связывающую элементы информационной модели, представляющую графические объекты, и синтаксическую, описывающую графические объекты формируемых изображений.

Задача синтеза семантической структуры базируется на знании предметной области и решается применением  известных методов проектирования баз данных. Синтаксическая структура должна строиться на основе  методов формирования изображений на экранах СОИ с учетом  способов кодирования графической информации, взаимосвязей сегментов и графических примитивов и других факторов.

Можно подвести итог: процесс проектирования БКД для ГИС ОУ является многоплановым и зачастую довольно сложным. Необходимость функционирования в реальном времени, наличие больших объемов разнотипной информации, трудоемкость обработки значительных объемов графической информации ужесточают требования к синтезу баз картографических данных, а следовательно, к моделям и методам построения оптимальных структур хранения таких данных с учетом возможности удовлетворения как справочных, так и графических запросов оператора.

2.1.4. Модель графических данных

Процесс проектирования базы графических данных представляет собой сложный процесс их представления:

«Предметная область»        «Схема внутренней модели БГД»

Для решения этой проблемы введем несколько уровней представления данных, с каждым из которых свяжем свою модель данных и выделим следующие основные этапы проектирования: инфологическое, датологическое и физическое проектирование.

Задача инфологического этапа состоит в получении смысловых семантических моделей, отражающих предметную область, в рамках которой формируются и реализуются задачи управления. Для этого выделяются и анализируются объекты с точки зрения принятых методов описания реальной обстановки, их связи и свойства, являющиеся существенными при адекватном отображении действительности  и производится спецификация  информационных запросов. Далее производится компоновка инфологической модели графических данных. Причем описание данных на инфологическом уровне не должно зависеть от методов логического и физического представлений данных в конкретной СУБД.

При датологическом проектировании полученная на первом этапе модель преобразуется в логическую структуру данных, ориентированную на конкретную целевую СУБД, часто называемую концептуальной моделью данных. Целевая СУБД может задаваться априори, выбираться на основе характеристик информационных запросов либо разрабатываться с учетом определенных  требований.

На этапе физического проектирования проводится выбор рациональных структур хранения графических данных и методов доступа к ним. Здесь учитываются определенные в концептуальной модели связи между информационными объектами, эффективная реализация запросов и рациональное использование внешней памяти. При этом исходят из арсенала методов и средств, предоставляемых разработчику системой управления базой данных.

Ряд проблем, возникающих при проектировании БГД, связан с большим объемом данных, их размерностью и значительным количеством связей между компонентами хранимых изображений. Как отмечалось выше, к основным способам представления изображений можно отнести позиционный и структурный. Однако возросшая сложность задач, обусловившая необходимость организации связей между этими представлениями, привела к появлению комбинированного способа и, как следствие, к более сложной структуре данных.

Часто для решения ряда прикладных задач требуются дополнительные (неграфические) данные. Информация может связываться с любым произвольным компонентом изображения: примитивом, базисным элементом, объектом или всем изображением. Основными способами осуществления этой связи является хранение непозиционных данных вместе с позиционными  в одних записях или их отдельное хранение с использованием указателей. При этом наметилась тенденция узкой ориентации БГД на эффективное выполнение каких-либо определенных операций, что достигается как разработкой соответствующей структуры данных, так и введением в структуру дополнительной информации, обеспечивающей более быстрое выполнение операций выборки.

Все это повышает качество проектирования модели данных. Простота и гибкость модели, отсутствие лишних информационных связей могут существенно ускорить процесс создания БГД, повысить эффективность и производительность ее работы.

Рассмотрим некоторые особенности процесса формализованного описания инфологической модели данных, предназначенной для представления изображений и в такой предметной области, как картография. Установлено, что с наибольшей вероятностью в рассматриваемой БГД поступают запросы по географическим полям, т. е. запросы к данным графического описания участков земной поверхности, с целью их последующего отображения на экране СОИ.

Учитывая то, что электронные карты представляются некоторыми  информационными слоями, то и состав БГД для подобных СОИ и их структура определяются следующими параметрами:

- видами (типами) применяемых картографических проекций;

- районами поверхности, подлежащими отображению;

- используемыми масштабами;

- степенью детализации описания поверхности для каждого из масштабов;

- наличием выделенных элементов или групп элементов информационных моделей для организации запросов по интересующим оператора объектов.

В соответствии с терминологией, используемой при создании БКД, элементы картографического изображения называются картографическими объектами. Любой картографический объект обладает некоторой совокупностью свойств. Например, объект «дороги» характеризуется свойствами: ширина, количество полос, материал покрытия и др. Отображение свойств объектов в базах данных происходит посредством элементарных (неделимых) единиц информации, называемых атрибутами.

Положим, что имеется множество объектов, выделяемых в составе изображения с точки зрения информационного содержания, характера обработки и визуализации:

где  -  i-й объект; I — множество индексов объектов.

При этом каждый элемент множества описывается в виде некоторого кортежа:
 

где din — n-й элемент кортежа, значение которого описывает i-й  экземпляр множества объектов Е;

- имя атрибута, соответствующего n-му элементу кортежа;
— область значений атрибута с именем
А1п.

 Наборы экземпляров объектов, имеющие сходные общие характеристики, являются классами объектов:


m : At= At,

где At (ejh) — набор атрибутов, соответствующих h-му экземпляру объекта.

Каждый класс объектов именуется таким образом, чтобы имена не содержали неопределенных и несущественных значений и были уникальны.

С позиции системного подхода изображение ЦММ представляет совокупность множества данных, различных по своей физической природе и функциональному значению. В соответствии с этим можно записать

:       E Тур,

где Тур — множество типов данных, —  отображение.

Так, для статической картографической информации, используемой для представления постоянно меняющего местоположение объекта, в БГД можно выделить три категории данных:     

Typ = {typh \h= 1,3},

где  typ1 — данные, характеризующие семантическое содержание картографических информационных моделей и критерии отбора данных тематического типа при генерализации  карты; typ2 графические данные, образующие язык отображаемой картографической модели, который с помощью условных знаков, языка живописи, естественного языка и других составляющих осуществляет передачу в процессе восприятия изображения некоторой совокупности абстрактных и обобщенных понятий; typ3 пространственные данные, отображающие геометрическую структуру объектов картографического изображения. Тогда, исходя из сказанного можно записать:

Е={ТО, GO, РО};

,

где ТО, GO, РО — соответственно наборы классов тематических, графических и пространственных объектов.

При этом каждый смежный класс разбиения Е описывается своим подмножеством атрибутов, которые не пересекаются между собой:

где:  — i-e имя множества тематических атрибутов AtT;

j-e имя множества графических атрибутов ;

k-e имя множества пространственных атрибутов ;

I, J, К — соответственно множество индексов тематических, графических и пространственных атрибутов.

В следующей лекции мы рассмотрим основные подмодели данных на примере БКД                                                       , предназначенной для вывода карты участка местности в заданном масштабе.

PAGE  7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29401. Электрооборудование буровых установок 85.5 KB
  Процесс бурения скважин включает в себя следующие операции: Спуск бурильных труб с долотом разрушающим инструментом в скважину. Наращивание колонны бурильных труб по мере углубления скважины. Подъем труб для замены изношенного долота. При роторном бурении вращение долота осуществляется с помощью колонны бурильных труб.
29402. Электропривод буровых лебедок 80.5 KB
  Кроме подъема и спуска колонны бурильных труб КБТ с помощью буровой лебедки часто осуществляют свинчивание и развинчивание труб их перенос и установку подъем и опускание незагруженного элеватора а также подачу долота на забой. Причем для подъема КБТ служат приводные двигатели лебедки а для спуска электромагнитные тормоза индукционного или электропорошкового типа или приводные двигатели в режиме динамического или рекуперативного торможения. Требования к электроприводу буровой лебедки. Электропривод буровой лебедки БЛ должен обеспечивать...
29403. Электропривод буровых насосов 44.5 KB
  Основными параметрами характеризующими работу насоса являются его подача Q и напор p развиваемый при заданной подаче. Мощность привода насоса определяется произведением Q∙p. В бурении в основном применяются поршневые насосы со сменными цилиндровыми втулками позволяющие изменять подачу насоса. В зависимости от диаметра втулки будет изменяться подача насоса а также предельнодопустимое давление на выходе насоса снижающееся при увеличении диаметра втулки.
29404. Электропривод постоянного тока по системе ТП-Д 28.5 KB
  В буровых установках для бурения скважин глубиной 6510 км в ЭП буровых насосов используются ДПТ управляемые по системе ТПД. Буровыми насосами с регулируемым ЭП по системе ТПД оснащаются буровые установки БУ2500 ЭП и БУ6500 ЭП и установки морского бурения. Механическая характеристика регулируемого ЭП бурового насоса по системе ТПД.
29405. Автоматические регуляторы подачи долота 94 KB
  Подача долота это последовательное опускание верхней точки КБТ в процессе бурения при этом скорость подачи долота должна быть равна скорости разбуривания. Задача плавной и равномерной подачи долота решается применением автоматических регуляторов. В зависимости от места расположения автоматические регуляторы подачи долота бывают наземными или глубинными погружными.
29406. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ (ПЕРЕМЕННОГО ТОКА) 35 KB
  Асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора разделенных между собой воздушным зазором. Сердечник собирается из тонких листов электротехнической стали изолированных друг от друга и запрессовывается в корпусе статора. На внутренней поверхности сердечника вырублены пазы в которые укладывается трехфазная обмотка статора. Обмотка подключена к трехфазной сети и представляет собой систему проводников сдвинутых относительно друг друга в пространстве вдоль окружности статора на 120о.
29407. Буровые установки 27.5 KB
  Регулируемые приводы используют систему ТПДПТ. Силовой привод буровой установки может быть дизельным электрическим дизельэлектрическим и дизельгидравлическим. Дизельный привод применяют в районах не обеспеченных электроэнергией необходимой мощности.
29408. Взрывозащищенное электрооборудование 43.5 KB
  Взрывозащищенное электрооборудование различается по уровню взрывозащиты группам и температурным классам. Установлены следующие уровни взрывозащиты электрооборудования: 1. Вид взрывозащиты определяется установленным набором средств взрывозащиты. Для взрывозащищенного электрооборудования установлены следующие виды взрывозащиты: Взрывонепроницаемая оболочка [d].
29409. Дизель-электрический привод буровых установок 28 KB
  В последние годы существует тенденция расширения номенклатуры и объемов производства буровых установок с дизельэлектрическим приводом. Переход к автономному энергоснабжению позволяет решить проблему энергоснабжения удаленных от базы буровых установок проблему слабых сетей решить проблему повышения установленной мощности главных и вспомогательных приводов на буровых установках и др. Перечисленные недостатки системы ГД затрудняют ее использование в морских буровых установках.