1.6.1. Giới thiệu các yếu tố hình học GIS
Các mơ hình dữ liệu được cấu trúc theo hình học thường hình thành nên lịng cốt của các CSDL khơng gian của nhiều người sử dụng. Cấu trúc hình học là cái chính được sử dụng để đảm bảo tồn vẹn dữ liệu, nĩ diễn tả các đối tượng khơng gian chia sẻ như thế
nào về mặt hình học. Hỗ trợ lý thuyết hình học bên trong ngữ cảnh của của CSDL quan hệ lợi dụng các yếu tố thêm vào – mơ hình lý thuyết hình học liên hợp phải giữ tính tồn vẹn qua các danh giới chuyển giao. Điều này cĩ thể là yêu cầu mơ hồđưa ra sự liên hợp rắc rối bên trong các cấu trúc tồn vẹn tham chiếu trong các CSDL quan hệ. Các kỹ thuật thực thi chung như cho phép các điểm giao động (các khố ngồi trống) làm phức tạp các vấn đề phát sinh cho các ứng dụng máy khách dùng những mơ hình này. Chúng ta đưa ra một cách tiếp cận khác để biểu diễn lại các mơ hình để tránh nhiều vấn đề về CSDL quan hệ truyền thống với sự duy trì các mơ hình ngữ cảnh phức tạp
Các cấu trúc dữ liệu theo hình học đã được sử dụng để biểu diễn lại thơng tin địa lý trong hơn 30 năm qua. Mơ hình hình học là cơ bản của một số hệ thống hoạt động. Những hệ thống này dựa trên các tệp nhị phân và trong các cấu trúc dữ liệu bộ nhớ hỗ trợ một mơ hình chỉnh sửa đơn trên các thư viện địa lý tổđược tổ chức như tập hợp các bảng bản đồ
hoặc các tựa đềđơn lẻ.
Những sự phát triển hiện nay trong các hệ thống GIS đã đi tới các mơ hình thơng tin CSDL trung tâm. Một vẻ diện mạo của cơng việc này là thay thế hệ thống tệp tin bằng một động cơ CSDL quan hệ như kỹ thuật duy trì thơng tin địa lý. Dù sao, sự thay thế này của lớp vào/ra vật lý chỉ là một mặt được xem xét khi thiết kế một CSDL GIS. Các mặt khác của khái niệm CSDL cũng được đề cập tới.
Cái gì lá mơ hình khơng gian tự nhiên và cái gì là các hoạt động khơng gian kết hợp?
Làm thế nào để thiết kế hỗ trợđa luồng, ghi vào cùng một lúc.
Tồn vẹn theo ngữ cảnh của mơ hình dữ liệu được diễn tả, duy trì, và bảo vệ
như thế nào?
Thiết kế một hệ thống với sự thi hành tốt và cĩ thể đo lường được để hỗ trợ
hàng trăm người sử dụng một lúc như thế nào?
Thiết kế một hệ thống mà cĩ thể hỗ trợ nhiều CSDL khơng gian liên tục rộng lớn, bao gồm hành triệu các đối tượng địa lý cĩ quan hệ với nhau như
thế nào (ví dụ như mạng lưới đường xá, mạng lưới các con sơng …. )? Sự tiến triển CSDL GIS cho ra một cách đơn giản hơn các cấu trúc dữ liệu GIS cổ điển tới một lược đồ quan hệ thơng thường. CSDL GIS phải được đánh địa chỉ các mặt chức năng của CSDL như: mơ hình thực thể, mơ hình chuyển giao, và các vấn đề phát sinh thực hiện/khả năng đo đếm được. Mặt khác của thực thi CSDL GIS chạy các rủi ro của các kho chứa dữ liệu tách rời mạng (là tốt nhất) hoặc các CSDL chỉ ghi (tệ nhất). Sự
biểu diễn lại của các mơ hình dữ liệu tơ pơ sử dụng các khái niệm CSDL quan hệ và các
động cơđược chú ý tới việc nghiên cứu tổng thể CSDL như khoa học về thơng tin địa lý. Mơ hình dữ liệu phục vụ như một trường hợp nghiên cứu xuất sắc cho các vấn đề được
đưa ra của việc làm mẫu thơng tin, và đặc biệt cho việc đánh giá các kiến trúc quản lý các thực thể ngữ cảnh. Trong khố luận này, chúng ta diễn tả sự thiết kế cho việc mơ hình hố hình học GIS sử dụng các khái niệm liên quan và các động cơ CSDL. Việc thiết kế này
được cơ bản cho sự thực thi hình học của chúng ta trong hệ thống ArcGIS. Trong phần
đầu, chúng ta giới thiệu về lý thuyết mơ hình hố các vấn đề hình học GIS. Sau đĩ chúng ta xem xét một CSDL vật lý thực thi sử dụng các khái niệm tiêu chuẩn cho việc ánh xạ
các thực thể và các mối quan hệđến các bảng và tiêu chuẩn hố khố chính/khố ngoại cĩ liên quan tới mơ hình thực thể. Các vấn đề bên trong sự tiếp cận này đã được thảo luận. Chúng ta sẽ biểu diễn một sự thực thi thay thế của mơ hình hình học để sử dụng một cách tiếp cận khơng theo quy ước tới các vấn đề của tồn vẹn CSDL và quản lý giao dịch.
1.6.2. Các yếu tố hình học của GIS
Các cấu trúc dữ liệu thuộc hình học cho sự diễn tả lại các thơng tin địa lý là một chủđề tiêu chuẩn trong khoa học thơng tin địa lý. Về tổng quát, mơ hình dữ liệu hình học diễn tả các đối tượng khơng gian (các điểm, đường, các đặc trưng vùng) sử dụng tập cơ
bản ban đầu về hình học. Các thành phần cơ bản đĩ cùng với các mối liên hệ của chúng tới thành phần khác và tới các tính năng được định nghĩa bằng việc gắn chặt vào các hình
đặc trưng trong một đồ thị hai chiều đơn. Như các tập hợp dữ liệu được nĩi tới “tính tích hợp hình học”.
Mơ hình kết hợp một hay nhiều các thành phần nguyên thủy của hình học với các
đối tượng khơng gian của nhiều loại hình(ví dụ như các nút – Node, các cạnh – Edge, các mặt – Face). Cụ thể hơn, một đặc tính của với một điểm hình học (Point) được kết hợp với một yếu tố nút đơn (Node), một đặc tính với một đường hình học (Line) được kết hợp với một hoặc nhiều các yếu tố cạnh (Edge), và một đặc tính với một hình đa giác (Polygon) được kết hợp với một hoặc nhiều các yếu tố mặt (Face). Điều này được mơ tả
trong Hình 1.36 như mơ hình hình học tự nhiên.
Hình 1.36 Mơ hình hình học tự nhiên
Cĩ thêm các mối quan hệ giữa chính các yếu tố hình học với nhau nhưở Hình 1.36
đã chỉ ra. Một yếu tố nút cĩ thể cĩ hoặc cĩ thể khơng kết hợp với một tập các yếu tố cạnh. Một yếu tố mặt cĩ thể được kết hợp với một hoặc nhiều các yếu tố cạnh. Cuối cùng, một yếu tố cạnh được kết hợp với hai yếu tố nút và hai yếu tố mặt. Mối quan hệ giữa các nút và các mặt cĩ thểẩn hoặc hiện rõ. Chúng ta đã diễn tả các mối quan hệ này giữa các nút và các mặt như là sự ẩn trong Hình 1.36. Một ví dụ cụ thể chỉ ra một thể hiện cụ thể của mơ hình này là Hình 1.37. CSDL bao gồm ba lớp được diễn tả các thực thể địa lý thực: các lơ đất (Parcel), các bức tường (Wall) và các tồ nhà (Building). Trong ví dụ này, cĩ
một thể hiện của mỗi lớp. Trong thực tế, những lớp này cĩ thể bao gồm hàng triệu thể
hiện. Bức tường và tồ nhà cĩ thể trùng khớp ở đường biên giới phía tây của lơ đất như
hình vẽ.
Hình 1.37 Một thể hiện của mơ hình hình học tự nhiên
Thật thú vị để ghi nhớ rằng các đối tượng cĩ cả hai tập hợp và các tính chất dựa trên danh sách. Ví dụ, hình của một cạnh được định nghĩa bởi một danh sách các toạ độ
và đối tượng liên quan đến các cạnh cùng trong một đặc trưng đường (ví dụ W1) được sắp xếp và được định hướng tới tính chất thể hiện sựđịnh hướng của đặc tính đường. Các cạnh và các đỉnh của các hình đa giác được định hướng theo kim đồng hồ (với phần trong của đa giác là ở bên phải). Để cho rõ ràng, chúng ta chỉ ra các đặc tính, như các hình đối tượng, các thành phần dư thừa trong nhiều lớp đối tượng. Trong một vài thực thi vật lý của mơ hình, các hình này chỉ nên được lưu trữ một lần, ví dụ trên một cạnh nguyên thủy, và ví dụ cụ thể bằng các truy vấn đối với các đặc tính khác. Sau ví dụ này, điều rõ ràng là mơ hình hình học lý thuyết là một mơ hình đồ hoạ phức tạp, bao gồm những sự kết hợp
đối tượng sắp xếp dựa trên hình học gắn chặt với các đối tượng trong khơng gian hai chiều. Cũng thật rõ ràng khi các truy vấn, như là “vẽ một bản đồ tất cả các tồ nhà” hoặc “tìm các tính năng bao gồm bên trong các lơ đất đưa ra” yêu cầu sắp xếp định hướng của các mối quan hệ, tập hợp các hoạt động khơng đơn giản. Căn cứ vào sự phức hợp cố hữu
của sự diễn tả này, nĩ là quan trọng để phản ánh lại vì sao người ta muốn hình học trong các tập hợp dữ liệu khơng gian trong nơi đầu tiên – ví dụ, cái gì là các yêu cầu cơ sở. Tại mức độ cao, hình học tận dụng cốt để mà:
Quản lý các hình chia sẻ (ví dụ, cách các đặc tính chia sẻ hình một cách hình học).
Định nghĩa và tuân theo các quy tắc tồn vẹn dữ liệu (ví dụ, khơng cĩ khoảng trống giữa các đặc tính, khơng cĩ các đặc tính chồng khớp…)
Hỗ trợ các truy vấn liên quan đến hình ọc và định hướng (ví dụ, đặc tính gần kề hoặc tính kết nối).
Hỗ trợ các cơng cụ chỉnh sửa phức tạp (các cơng cụ tuân thao các rằng buộc về hình học của mơ hình dữ liệu).
Các đặc cấu trúc dựng từ các hình học phi cấu trúc(ví dụ, các hình đa giác từ các đường).
Mơ hình hình học logic cung cấp một lý thuyết cơ bản cho chức năng này. Ví dụ, rằng buộc “các tồ nhà phải khơng được chồng lên nhau” cĩ thểđược biểu diễn bởi ràng buộc hình học “các mặt chỉ được kết hợp với một đặc tính của kiểu tồ nhà”. Tương tự, vấn đề của việc tạo các đa giác từ các đường phi cấu trúc cĩ thểđược phát biểu như: “tính tốn các cạnh, các mặt và các nút từ các đường; tạo một đặc tính trên nhất mỗi mặt kết quả”.
Trong GIS, cơng nghệ về mặt lịch sử đã cho thấy như một cấu trúc dữ liệu khơng gian vật lý mà thực thi trực tiếp các đối tượng của mơ hình hình học lý thuyết. Dù sao, đĩ là điều quan trọng để nhận thấy rằng cấu trúc dữ liệu vật lý này chỉ hữu dụng vì nĩ là một cơng cụ quản lý tồn vẹn dữ liệu, các truy vấn khơng gian/định hướng và các hoạt động khác. Nĩ cĩ thể thay đổi xem xét các thực thi của mơ hình hình học lý thuyết mà cũng hỗ
trợ chức năng này. Trong tầm ảnh hưởng, hình học phải được xem xét như mơ hình dữ
liệu đầy đủ (các đối tượng. các quy tắc tồn vẹn, và các hoạt động), khơng đơn giản như
lưu trữđịnh dạng hoặc tập hợp các loại bản ghi.
1.6.3. Thực thi vật lý tiêu chuẩn
Mơ hình hình học lý thuyết cĩ thể được thực thi đối với các phương tiện CSDL quan hệ trong một kiểu cách thúc đẩy trực tiếp như mơ hình quan hệđơn giản với sự diễn
tả rõ ràng của các nguyên thể hình học sử dụng các khố (chính và ngoại) để mơ hình các mối quan hệ hình học (như Hình 1.38).
Hình 1.38 Mơ hình hình học quan hệ tiêu chuẩn với cá bảng kết hợp (ví dụ, đường x cạmk).
Sự thực thi này sử dụng các rằng buộc tồn vẹn tham chiếu để diễn tả các quy tắc tồn vẹn đối với hình học. Các bảng kết hợp được tận dụng để hỗ trợ quan hệ n-n giữa các
đặc tính và các hình nguyên thủy kết hợp của chúng (trong CSDL hỗ trợ các loại mảng, các bảng kết hợp cĩ thểđược thay thế bởi các danh sách của các khố ngồi gắn chặt bên trong đặc tính và các bảng nguyên thuỷ). Hơn nữa, hình học của các đặc tính được đơn giản hố – nĩ được thu thập từ các nguyên thuỷ hình học kết hợp của chúng. Hình 1.39 diễn tả tập hợp dữ liệu đơn giản tiêu biểu cho mơ hình này.
Cĩ một số các thuận lợi đối với thực thi vật lý này. Đầu tiên, cĩ sự trực tiếp hay
đúng hơn là ánh xạ bình thường đến mơ hình hình học lý thuyết. Cĩ sự thuận lợi về khái niệm cho nhiều người vì tất cả các nguyên thuỷ hình học là rõ ràng dứt khốt, như nhiều mối quan hệ hình học nguyên thủy. Hình học chính nĩ chỉ thể hiện một lần các tính chất nguyên thủy hình học và các mối quan hệ cĩ thểđược chỉnh sửa sử dụng SQL tiêu chuẩn cập nhật.
Dù sao, cĩ một số các vấn đề quan trọng trong sự thực thi này liên quan tới: Sự thực thi của các truy vấn tiêu biểu
Sự duy trì sự tồn vẹn ngữ cảnh trong mơ hình Sự thực thi và phức hợp của sự cập nhật tiêu biểu.
1) Thực hiện truy vấn
Mặc dù sự thực thi này loại trừ các dưa thừa lưu trữ của thơng tin địa lý đối với cá
đặc tính, các truy vấn phức hợp được yêu cầu để diễn tả cụ thể hình học của các đặc tính (truy vấn chung nhất cho phần mềm GIS). Ví dụ, để lấy hình của lơ đất P1, một truy vấn phải phối hợp thơng tin trong bốn bảng (các Lơ đất, Lơ đất x Mặt, các Mặt, và các Cạnh) và sử dụng lý thuyết hình học bên ngồi để thu thập phù hợp với hình học vủa Lơ đất. Khi truy vấn này được thực hiện lặp đi lặp lại – để vẽ tất cả các Lơ đất chúng ta kết thúc các truy vấn phức hợp hoặc thực thi kỹ thuật các con trỏ và mã ứng dụng. Trong tự nhiên,
định hướng truy cập tới các mối quan hệ (khơng ám chỉ đến các điểm) làm trì hỗn đặc biệt với cơng nghệ liên quan vứoi các cơng nghệ khác
2) Kỹ thuật tồn vẹn
Một vấn đề cơ bản hơn liên quan tới tính tồn vẹn của CSDL. Sự diễn tả sử dụng của (sự chi trả việc thực hiện chi phí) các ràng buộc tồn vẹn tham chiếu, tính tồn vẹn và tính kiên định của mơ hình dữ liệu hình học khơng được định nghĩa thực sử dụng mơ hình tồn vẹn tham chiếu. Các ràng buộc tồn vẹn tham chiếu được miêu tảđơn giản như “nếu một khố ngồi là trống, thì khố chính liên quan tồn tại”. Điều này rất mong manh về cơ
bản để quản lý tính tồn vẹn của mơ hình dữ liệu hình học. Đối với phát biểu phù hợp của mơ hình dữ liệu, nĩ phải là tham chiếu khơng trống và hình học của các yếu tố nguyên thủy phải được thích hợp với các đối tượng và các tham chiếu. Mơ hình tồn vẹn tham chiếu tiêu chuẩn khơng cĩ nghĩa là sự diễn tả như ràng buộc “ngữ nghĩa”, mà tuân theo chúng ít hơn.
Tính tồn vẹn của hình học là tính chất tồn cầu của tập hợp các thực thể bao gồm hình học, hơn là các ràng buộc hoặc hành vi gắn vào các thực thể đơn lẻ. Tính tồn vẹn hình học phải được xác thực bởi thực tế một tập hợp đầy đủ của sự cập nhật trong tồn bộ. Lý thuyết xác thực này phải phân tích cấu hình hình học của các đặc tính trong vùng thay
đổi để đảm bảo rằng các nguyên thể hình học và các mối quan hệ là đúng đắn. Lý thuyết xác thực này thực thi bên ngồi nhân mơ hình tồn vẹn thao chiếu. Nĩ cĩ khả năng thực hiện được lý thuyết thương mại độc quyền trong sựđáp ứng của việc cập nhật dữ liệu sử
dụng các thủ tục chạy tự động (triggers). Như một kỹ thuật cĩ thể được sử dụng để tích luỹ thơng tin thay đổi, và sau đĩ thực thi lý thuyết xác thực tồn cầu. Dù sao, các CSDL quan hệ tích cực (ví dụ, các CSDL này hỗ trợ ràng buộc và kỹ thuật thủ tục chạy tựđộng) tiếp tục kéo sự trì trệ hoạt động và sự thực thi. Các mở rộng của CSDL được thực thi như
các dịch vụ dựa vào các thủ tục tự động (điều này cĩ thể hoặc khơng thể phát sinh tự động) nơi mà sự phức hợp của các miền là đáng kể (ví dụ như các quy tắc thương mại, cung cấp sự quản lý dây chuyền, các hệ thống suy ra từ quy tắc cơ sở, và hình học) trải qua từ một vài vấn đề nền tảng cơ bản:
Sự khĩ khăn của việc thực thi (sự tinh vi của hành vi, các cơng cụ gỡ rối nguyên thuỷ),
Các vấn đề thực hiện và khả năng đo lường được với các tập thủ tục tựđộng phức tạp (sự thiếu hụt tinh tế của các quá trình thủ tục tựđộng), và
Sự thiếu hụt của tính đồng đều (khả năng di chuyển giữa các hẹ quản trị