CC BY
38
УДК 528.946
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ В ФОРМЕ АБСТРАКТНОЙ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ДАННЫХ ДЛЯ АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ БАЗЫ ДАННЫХ ГИС
Мария Владимировна Карманова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, тел. (913)087-70-01, e-mail: [email protected].
Елена Владимировна Комиссарова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры картографии и геоинформатики, тел. (913)710-85-60, e-mail: [email protected]
В статье изложена идея представления пространственных данных в виде трехмерной схемы, интегрированной в цифровую картографическую основу. Данные представлены в виде абстрактных объектов, связанных с географическими объектами на цифровой картографической основе трехмерными полилиниями. Подобная трехмерная модель наглядно отображает все возможные связи между объектами и облегчает анализ данных, являясь переходным звеном к созданию схемы реляционной базы данных и ее нормализации.
Ключевые слова: ГИС-модель, чрезвычайная ситуация, специальные карты, тематические карты, реляционные базы данных, трехмерные модели, схема базы данных.
THE REPRESENTATION OF SPATIAL DATA IN THE FORM OF AN ABSTRACT THREE-DIMENSIONAL DATA MODEL FOR ANALYSIS OF INFORMATION FOR THE DEVELOPMENT OF THE GIS DATABASE
Maria V. Karmanova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate, tel. (913)087-70-01, e-mail: [email protected].
Elena V. Komissarova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Cartography and Geoinformat-ics, tel. (913)710-85-60, e-mail: [email protected]
The article presents the idea of representing spatial data in the form of three-dimensional scheme, integrated in a digital mapping base. The data are presented as abstract objects associated with geographic objects on a digital cartographic based three-dimensional polyline. Such a three-dimensional model illustrates all possible relationships between objects and facilitate data analysis, to create the schema of a relational database.
Key words: GIS-model, emergency, special-purpose map, thematic map, relational database, three-dimensional models, database schema.
Идея представления пространственных данных в форме абстрактной трехмерной модели, отраженная в данном исследовании, возникла в процессе разработки методики геоинформационного картографирования противопожарной
и спасательной деятельности федеральной противопожарной службы (ФПС) Алтайского края.
Для анализа обстановки, складывающейся в период возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на вверенной территории, специалистами подразделений МЧС, к которым относятся отряды ФПС, применяются разнообразные специальные и тематические карты.
На основе этих карт разрабатываются так называемые боевые графические документы. С особой полнотой и наглядностью на них отображается географические данные; поднимают элементы карты: реки, дороги, растительность; выделенные объекты снабжают подписями; карту сопровождают приложениями с табличными данными.
Для автоматизации создания подобных карт возникла необходимость разработки особой ГИС-модели, в которой предполагается связать пространственные данные об объектах местности и аналитические данные, отражающие качественные характеристики явлений, которые невозможно выразить посредством карты, в единой атрибутивной базе данных (БД).
Так как в МЧС существует большое количество только регламентированных графических документов, число и состав которых постоянно изменяется, ГИС-модель должна содержать базовую информацию, распределенную по слоям и таблицам ГИС-проекта и связанного с ним СУБД, из общей массы которой путем создания специальных запросов будут формироваться тематические наборы объектов, составляющих боевой графический документ. Следовательно, проектируемая ГИС-модель представляет собой огромный информационный массив, и основной задачей проектировщика является грамотный анализ имеющейся информации, нахождение закономерностей, связей между объектами, и определение этим объектам и явлениям места в единой для всей ГИС-модели структуре базы данных.
Согласно [1], базу данных можно представить, как совместно используемый набор логически связанных данных. Наибольшее распространение получили реляционные модели БД. Реляционная модель основана на математическом понятии отношения, физическим представлением которого является таблица. Реляционная база данных состоит из множества таблиц, логически связанных между собой.
Если в плоских БД вся информация может содержаться в одной таблице, то в реляционных БД обычно стараются избежать появления избыточной информации, разбивая одну таблицу на несколько. В процессе перехода от плоской модели к реляционной, база данных проходит сложный процесс нормализации, призванный привести БД в устойчивое состояние, которое поддерживается рядом механизмов - средств поддержки целостности. Иллюстрацией этой работы должна стать схема реляционной базы данных - графического отображения логической структуры базы данных.
Сложность проектирования схемы БД в ГИС-моделях состоит еще и в том, что абстрактная информация, такая как, например, контактные данные должностного лица или количество техники, выезжающей на место ЧС, тесно связа-
ны с географическими данными. Например, установленные административные границы, хранящиеся в соответствующем слое ГИС-проекта в виде полилиний, ограничивают и зону ответственности главы муниципального образования, а данные о главах хранятся в атрибутивной БД в табличном виде.
Как правило, оперативные графические документы разрабатываются на основе анализа текстовых документов: аналитических записок, рапортов и донесении с места ЧС, а также докладов, предоставляемых службами, участвующими в спасательных операциях. В большинстве своем они представляют собой плоские таблицы с дублирующейся информацией.
Задача разработчика построить логическую схему таким образом, чтобы информация, скажем, об изменении номера телефона у ответственного лица, одновременно обновилась во всех таблицах всех графических документов, где она фигурирует (рис. 1). Для этого она должна содержаться только в одной из таблиц БД [3].
Рис. 1. Пример плоских таблиц (а) и схема нормализованной реляционной базы данных, построенной на основе анализа плоских таблицах (б) (связи один-ко-многим и один-к-одному). Связь БД с таблицей атрибутов слоя в проекте ГИС, в которой каждому объекту слоя соответствует одна строка в таблице атрибутов слоя (в)
Представленная в примере схема содержит сокращенную структуру данных, и, хотя она и дает представление о БД в ГИС, но что будет, если ГИС-модель будет содержать намного больше информации? Или отношения между объектами будут намного сложнее? Приведу несложный пример. Представим, что количество объектов возросло до десяти, ответственных лиц стало пять, но при этом, в зависимости от вида ЧС, каждое лицо ответственно за разные по-
мещения. Например, прораб Иванов в случае пожара отвечает за склады № 5 и № 7, а в случае утечки химических веществ (ХОВ) - за лабораторию и склады № 1, 2, 4. Ответвленное лицо выполняет важные функции: следит за ходом эвакуации, закрытием дверей, несет материальную ответственность. Оставшиеся строения так же распределены между оставшимися четырьмя сотрудниками, в зависимости от вида ЧС. Представим, что нам необходимо создать БД на основе информации из таблицы.
Таблица
Условная таблица назначения ответственных лиц, отвечающих за безопасность промышленного объекта, в зависимости от видов ЧС
Ф. И. О. Должность Телефон Вид ЧС Объект Прибывает
Иванов И.И. нач. склада 111-11-11 пожар склад № 5, 7 1 час
Иванов И.И. нач. склада 111-11-11 ХОВ лаб., склад № 1, 2, 3 2 час
Петров П.П. прораб 222-222-22 пожар лаб., склад № 1, 4, 8 1 часа
Петров П.П. прораб 222-222-22 ХОВ склад № 1, 4, 8 1,5 часа
Сидоров С.С. разнорабочий 333-333-33 пожар склад № 2 1 час
Сидоров С.С. разнорабочий 333-333-33 ХОВ склад № 2, 3, 5 1,5 часа
Васечкин В.В. разнорабочий 444-44-44 пожар склад № 6 1 час
Васечкин В.В. разнорабочий 444-44-44 ХОВ склад № 6 1 час
Беляков Б.Б. сторож 555-55-55 пожар склад № 3 1 час
Беляков Б.Б. сторож 555-55-55 ХОВ склад № 7 1 час
В первую очередь необходимо создать слой со зданиями потенциально опасного объекта. Так как в данном примере здания будут абстрактными, то их размер не принципиален, только условное расположение. Затем любой трехмерной фигурой обозначим первого в списке сотрудника, виды ЧС, при которых он становится ответственным лицом, и покажем связь с ним. Отмечу, что если раньше норматив прибытия зависел только от должности, то в новой схеме он напрямую зависти от вида ЧС. Для каждого типа ЧС выберем свой условный цвет (рис. 2). Так же условными линиями покажем связи между объектами.
Фигуры и линии связей можно распределить по тематическим слоям, чтобы в случае сильного ветвления можно было отключить часть схемы. Из рис. 3 видно, что даже при частичном заполнении схемы можно выделить однотипную информацию, а также проследить иерархию связей.
Рис. 2. Представления пространственных и атрибутивных данных в виде трехмерной модели, выполненной в программе SketchUp 2016
Чем подобная модель отличается от обычной двумерной схемы или диаграммы? В первую очередь тем, что трехмерную модель можно «повернуть» в программе под таким углом, чтобы связи не перекрывали друг друга. Во -вторых, при создании модели непосредственно в ГИС, мы можем сразу связывать между собой объекты цифровой карты, не тратя время на их прорисовку. При этом слои цифровой карты и абстрактных объектов могут хранится в одном проекте, так как для ГИС не играет роли, какой функцией мы наделяем объект. Точка может быть, как отдельно стоящим деревом, так и Ивановым И. И., как на рис. 2. Возможность измерять расстояния, площади, хранить данные в атрибутивных таблицах, автоматически изменять цвета объектов слоя, используя значения атрибутов, позволяет более наглядно отразить связи между данными.
Анализ приведенной в пример модели можно выразить в виде схемы БД, показанной на рис. 3.
Т1_Сотрудники Ш_ключ
Ф. И. О. 1п_Должиость
Телефон
13_Должность Шключ
Типдолжности
Рис. 3. Схема БД, созданная на основе анализа трехмерной модели
В данной статье описана концепция представления пространственных и атрибутивных данных в виде трехмерной модели. К сожалению, на данный момент автору не известно средство автоматизации процесса ее построения, но модель вполне можно реализовать уже сейчас в программах для создания 3D моделей (SketchUp 2016, AutoCAD, 3D Max), а также в таких ГИС-приложениях как, как ArcSce^ или MapInfo Engage3D.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Конноли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. - М. : Изд. дом «Вильямс», 2000. - 120 с.
2. Кольцов А. С., Федорков Е. Д. Геоинформационные системы : учеб. пособие. - Воронеж : Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. - 203 с.
3. Лурье И. К. Основы геоинформационного картографирования. - М. : Изд-во МГУ,
2000.
4. Духин С. В. Оценка эффективности схем баз данных // Известия ЮФУ. Технические науки. - 1998. - № 1 (7). - С. 247-251.
5. Бабанов А. М. Сравнительный анализ семантических моделей, применяемых для проектирования схем баз данных // Вестник Томского государственного университета. -2006. - № 290. - С. 251-260.
6. Гриценко С. А., Храмов В. Ю. Правила преобразования расширенной модели «сущность-связь» в реляционную модель данных при нисходящем проектировании баз данных // Вестник ВГУ. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2011. - № 1 -С.114-125.
© М. В. Карманова, Е. В. Комиссарова, 2017
