Концептуальне моделювання геопросторових даних

В ГІС ще й сьогодні переважає парадигма винятковості геопросторових даних, наслідком якої є різноманіття підходів та форматів від різних виробників інструментальних ГІС поряд з високим рівнем уніфікації представлення і обробки фактографічних даних в універсальних системах керування базами даних (СКБД) на рівні стандартної мови SQL та уніфікованих механізмів і засобів доступу до даних. Така ситуація на початкових етапах розвитку ГІС, що випали на 80-ті роки минулого століття, мала об'єктивні причини, оскільки технології фактографічних даних дійсно не могли запропонувати геоінформатиці готових ефективних рішень для обробки просторових даних. Розширення сфер застосування ГІС у 90-х роках та їх практична спроможність перетворитися в засіб інтегрування різноманітних даних про навколишнє середовище стимулювали розвиток в універсальних СКБД засобів для представлення та маніпулювання просторовими і багатовимірними даними. В геоінформаційних системах третього покоління ми спостерігаємо повне інтегрування ГІС з універсальними СКБД, а також їх вихід у глобальний інформаційний простір через Internet.

Така технологічна «зрілість» ПС, з точки зору універсальних методів інформаційних технологій, та ідеї об'єктно-орієнтованого погляду на світ при проектуванні інформаційних систем створюють умови для переходу на вищий теоретичний і практичний рівень в моделюванні і проектуванні геоінформаційних систем. Стосовно концептуального моделювання геопросторових даних це означає перехід від «графічного примітивізму» (з його основними концептами: «шар об'єктів», «лінійний об'єкт», «полігональний об'єкт», «точковий об'єкт або поза масштабний знак» тощо) до об'єктно-орієнтованих моделей реального світу, які ґрунтуються на категорії класів об'єктів, що мають просторові та фактографічні властивості, а також різноманітні просторові, топологічні та семантичні зв’язки і відношення.

" Графічний примітивізм" при моделюванні геопросторових даних успадкований від картографії, коли об'єкти розбиваються на групи за типом просторової локалізації. При цьому, як справедливо зазначено у праці, поняття просторової локалізації підмінюється поняттям розмірності, оскільки усі об'єкти розділяються на точкові, лінійні та площинні. Реальні ж об'єкти є фізичними тілами (дискретними об'єктами) або полями, а їх локалізація може бути точковою, лінійною, смуговою, площинною, просторовою, комбінованою і глобальною. Поля мають глобальний тип локалізації, оскільки існують у будь-якій точці земної поверхні або її частини, що моделюється. Дискретні об'єкти можуть мати будь-який тип просторової локалізації, крім глобального, а також мати множинне уявлення (multiple representations) геометричними моделями в базі геопросторових даних. Наприклад, вулиці можуть бути представлені осьовими лініями, двома осьовими у відповідності з напрямками руху, осьовими окремих сегментів або площинними (смуговими) об'єктами окремих ділянок. Разом з тим, осьові сегменти вулиць можуть входити до складу комплексного об'єкта типу вулично-дорожньої мережі або типу «маршрут певного транспортного засобу». Сказане, справедливе для моделювання річок, мережі залізниць тощо (Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 План міста в ГІС MapInfo.

Таким чином, маємо досить складні відношення як між об'єктами реального світу та їх просторовими моделями, так і між певними елементами графічної моделі й моделями реальних об'єктів на рівні ситуаційного встановлення відношень. Аналогічно поля можуть бути представлені регулярними та нерегулярними сітками, TIN-моделями, ізолініями тощо. Для об'єктів реального світу характерні також відношення агрегування, композиції та асоціації, які практично не реалізуються в ПС з графічним підходом до геоінформаційного моделювання.

Загальні принципи визначення змісту концептуальних схем (КС) та підходи до моделювання проблемних сфер сформульовані в ДСТУ 3329 — 96 (ТОСТ 34.320 — 96), який відповідає міжнародному стандарту ISO/TR 9007:1987 «Concepts and terminology for the conceptual schema and the information base». До основних складових змісту КС належать: описи класів (типів) сутностей проблемної сфери; описи понять, які найменше піддаються змінам; внесення правил або обмежень, які мають широкий вплив на поведінку проблемної сфери.

У стандартах рекомендовані два загальних принципи концептуальних схем: принцип 100 відсотків та принцип концептуалізації. Згідно з «принципом 100 відсотків» усі загальні аспекти проблемної сфери повинні бути описані в КС, причому інформаційна система не може відповідати за недотримання правил і законів, описаних поза концептуальною схемою. Згідно з «принципом концептуалізації» КС повинна містити статичні та динамічні аспекти проблемної сфери лише концептуального рівня, не торкаючись зовнішніх і внутрішніх аспектів подання та організації даних. Основними підходами до моделювання інформаційних систем та баз даних є: об'єктно-орієнтований підхід (ООП), підходи «сутність-атрибут-зв'язок»; підходи на основі бінарних і елементарних n-арних відношень та підходи на основі інтерпретованої логіки предикатів.

Об'єктно-орієнтований підхід в останні роки набув найбільшого поширення. Він охоплює всі етапи життєвого циклу інформаційних систем від концептуального моделювання до програмування, експлуатації та модернізації. ООП прийнятий за основу також і при розробці серії стандартів ISO 19 100 — Географічна інформація/Геоматика, в яких для концептуального моделювання широко використовується уніфікована мова моделювання UML (Unified Modeling Language), мова опису інтерфейсів IDL (Interface Description Language) та мова об`єктних обмежень OCL (Object Constraint Language). Принципи застосування сучасних засобів моделювання для концептуальних схем геопросторових даних представлені в проектах відповідних стандартів серії ISO 19 100, в тому числі: ISO 19 103 — Conceptual schema language (Мови концептуальних схем), ISO 19 107.

• — Spatial schema (Просторова схема), ISO 19 108 — Temporal schema (Часова схема), ISO 19 109
• — Rules for application schema (Правила для прикладної схеми).

Прикладом практичної реалізації сучасних методів концептуального моделювання геопросторових даних з застосуванням нотації UML є нове покоління ГІС-технологій від ESRI Arc GIS 8.2(Рисунок 2.4). Це свідчить про близькість появи на ринку повноцінних ГІС-орієнтованих CASE — засобів, які дозволяють візуально конструювати UML-схеми геопросторових даних, створювати специфікації та документувати артефакти предметної сфери на рівні концептуальних моделей класів об'єктів, відношень між ними, їх властивостей та методів поведінки. За створеними концептуальними моделями автоматично генеруються класифікатори понять, структура бази даних, специфікації програмних компонентів та макети форм діалогового інтерфейсу користувача.

Рисунок 2.4 Геопросторові дані в Arc GIS 8.2.