Представление объектно-ориентированной пространственно-атрибутивной информации в реляционной СУБД Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 65.012.45 А.Г. Литвинов

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-АТРИБУТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ В РЕЛЯЦИОННОЙ СУБД

Семинар № 14

Гехнология построения интеллектуальных геоинформационных систем предполагает применение нескольких разнородных подходов и технологий, таких как геоинформационный подход и интеллектуальные методы. Последние в свою очередь тоже сильно варьируют по возможности использования в рамках единой программной среды. Отсюда возникает необходимость поиска методологии, позволяющей эффективно интегрировать разнородные методы и подходы.

Основой для такой интеграции может послужить объектно-ориентирован-ная

методология [1]. Эта методология хорошо проработана и имеет массу преимуществ в преодолении сложности разработки интеллектуальных геоинформационных систем:

• Позволяет компенсировать недостатки отдельных способов (языков, моделей) представления знаний путем использования их комбинирования. В частности объектно-ориентированный подход позволит объединить преимущества фреймовой модели знаний (структуризация объектов предметной области и иерархия знаний) и продукционной модели (разделение знания и управления, модульность продукционных правил, легкость использования знаний экспертов) в единую гибридную объектно-продукционную модель знаний.

• Универсальность. Объектноориентированный подход позволяет моделировать системы разного уровня.

• Масштабируемость. Определяется иерархической структурой системы и закладывает основу для ее быстрого развития.

• Гибкость. Придается наследованием характеристик и реакций, что позволяет быстро вносить изменения.

Интеллектуальные геоинформацион-

ные системы опираются на банк горногеологической информации и поэтому имеют свою специфику: в их состав входят объемные массивы данных, которые характеризуют распределение в пространстве минеральных ресурсов различных типов. При этом стоит задача их компактного размещения в базе данных без нарушения целостности и обеспечения эффективной обработки.

Определение объектно-ориентиро-

ванной методологии как основы интеллектуальной геоинформационной системы обязует базу данных и базу знаний быть объектно-ориентированными. Они оперируют пространственными объектами, которые требуют создания возможности инкапсулировать объемные данные в ряде (множестве) однородных объектов (блоков) со стандартным информационным интерфейсом между ними. Другим критерием оптимальности представления объемных данных будет служить точность подсчета запасов полезного ископаемого при таком представлении.

Каждый способ представления объемных данных имеет свои недостатки в части занимаемых объемов памяти и обеспечения различных расчетов в объемах про-

извольной формы, особенно при подсчетах ресурсов (запасов) полезных ископаемых. Многолетняя практика [2] показала, что наибольшее распространение получили два метода подсчета запасов рудных месторождений: метод геологических

блоков и метод параллельных сечений. Неудобство блочных моделей связано с тем, что при актуализации геологических данных по мере повышения степени изученности месторождения приходится многократно проводить переблокировку горно-геологической среды и, соответственно, пересчет запасов полезных ископаемых.

Для устранения этих недостатков был разработан способ представления объемных данных, значительно упрощающий процесс переблокировки и пересчет запасов [3], который и будет использоваться при пространственном моделировании горно-геологических объектов, например, угольного месторождения. Кроме того, при предложенном способе выделения блоков становится намного компактнее модель их внутреннего представления в базе данных, упрощаются расчеты их характеристик. Данные строго инкапсулируются в объекте, возможна разработка стандартного интерфейса для этих объектов.

Рассмотрим этот способ более подробно.

В качестве основы пространственной модели предлагается блочная структура. В залежи выделяют геологические блоки. В качестве блоков (базисных объектов модели) используется призма, в основании которой находится шестиугольник. Верхние и нижние грани блоков моделируют двумя непрерывными и сглаженными поверхностями, проходящими соответственно через верхние и нижние граничные точки залежи с породой на участках скважин с последующей линеаризацией этих граней в каждом блоке. Это позволяет аппроксимировать рельеф кровли и почвы залежи. При этом величину содержания полезного ископаемого в нем определяют

путем взвешивания концентраций полезного ископаемого проб, взятых на участках скважин, являющихся вершинами замкнутого контура, который имеет минимальную площадь и охватывает данный блок. Согласно автору [3] разбиение рудного тела на блоки такой формы позволяет наиболее точно представить геометрическую форму тела при минимальных затратах времени на математические расчеты.

Из базисных объектов строятся более сложные объекты, представляющие интерес для дальнейшего анализа. К таким объектам можно отнести геологические пласты, горные выработки и т.д. (для газоугольного месторождения).

Указанный способ представления объемных данных позволяет сохранить базу блокировки при актуализации геологических данных об объектах угольного месторождения.

База пространственно-атрибу-

тивных данных

Выбрав оптимальный способ представления пространственных данных и определившись с положением, что база данных должна быть объектно-ориентированной, была разработана логическая схема базы пространственно-

атрибутивных данных, представленная на рис. 1.

Структура базы данных разработана с использованием CASE-средства ERwin 4.0. ERwin сочетает графический интерфейс Windows, инструменты для построения ER-диаграмм, редакторы для создания логического и физического описания модели данных и прозрачную поддержку ведущих реляционных СУБД и настольных баз данных. С помощью ERwin можно создавать или проводить обратное проектирование (реинжиниринг) баз данных.

Представленную структуру базы данных во многом определило требование объектно-ориентированности. Однако на данный момент не существует объектноориентированных баз данных, производительность и надежность которых была бы достаточной для уровня систем промыш-

ПЭ Трехмерная точка Ю трекмерной точки

Ю объекта (РК)

Ю отношения (РК)

Класс объектов

Описание Ю класса (РК)

, а.эю

Пространственный

Описание

Атрибут объектов класса Ю атрибута объектов класса Ю класса (РК)

Ю атрибута (РК)

Ю элемента справочника

Ю атрибута (РК) Наименование

I

Словарь атрибутов

1 III Значение атрибута объекта

1 1 1 !- * Юзначения атрибута объекта

1 1 1 Значение

Ю класса (РК)

1 * 1 Ю объекта (РК)

I ПЭ Полигон 1 Ю атрибута объектов класса (РК)

і і~~

Атрибут призм

Ю атрибута

Наименование

Ю атрибута призм

Ю атрибута (РК) Ю класса (РК)

Значение атрибутов ПЭ Призмы

10 полигона 1 [* Ю значение атрибута ПЭ_Призмы

10 объекта (РК) Ю отношения (РК^ ____ . п : * ПЭ Призма Ю призмы (РК) Ю атрибута призм (РК^ Значение

Элементы ПЭ Полигона

Отношение пространственных объектов Ю отношения

Наименование

Описание

Ю элемента ПЭ_Полигона

X У

Ю полигона (РИ^

Подошва

Ю элемента подложки (РК) Ю отношения (РК) Мощность Ю объекта (РК)

Степень принадлежности

Подложка______________

Ю элемента подложки

X

У

Радиус

Рис. 1. Логическая схема пространственно-атрибутивной базы данных

ленного типа, а все мощные системы управления базами данных работают с реляционными базами данных. Поэтому именно такую базу данных мы будем использовать для работы с пространственно-атрибу-тивной информацией.

Рассмотрим основные информационные единицы базы данных.

Все сущности базы данных можно разделить на три типа: определяющие пространственное положение объектов («ПЭ_Трехмерная призма», «ПЭ_Поли-гон», «Элементы ПЭ_Полигона», «ПЭ_ Призма», «Подложка»), определяющие

атрибутивную информацию («Словарь атрибутов», «Атрибут объектов класса», «Атрибут призм», «Значение атрибута объекта», «Справочник», «Значение атрибутов ПЭ_Призмы»), системы («Класс объектов», «Объект»). Необходимо также уточнить, что представленная схема определяет примерную структуру базы пространственно-атрибутивных данных интеллектуальных геоинформа-ционных систем и для разных систем может различаться. Например, в сис-теме может быть определено большее количество сущностей пространствен-ных данных.

Сущность «Класс объектов» определяет класс горно-геологических объектов. Класс задает набор атрибутов, которые могут характеризовать либо объекты данного класса в целом, либо отдельные пространственные элементы (ПЭ сущности), составляющие объекты.

Сущность «Объект» определяет экземпляр класса горно-геологических объектов. Каждый объект описывается набором пространственных элементов, которые связаны с объектом определенным отношением (входит, исключая, ограничивает и т.п.), а также характеризуется значениями атрибутов объектов. Г еометрические формы и пространственное положение каждый пространственного объекта задается несколькими сущностями.

Пространственные геологические объекты проецируются на специальную «подложку», которая представляет собой множество правильных шестиугольников, плотно прилегающих друг к другу (рис. 2).

Подложка может быть произвольной формы. Форма подложки задается контуром-полигоном специального формата и может меняться во время работы системы. Каждый шестиугольник подложки опре-

деляется радиусом описанной окружности. Радиус окружности может быть переменным и уменьшается для тех участков объекта, детализация которых повышается.

Геологические объекты могут включать множество элементарных призм. Для задания положения каждой призмы достаточно указать номер в подложке, который определят ее горизонтальное положение, и координаты верхней и нижней граней призмы для определения вертикального положения.

Каждый геологический объект характеризуется не только пространственным положением, но и некоторым набором свойств, анализ которых может быть важен для решения тех или иных поисковооценочных задач в горной промышленности. Свойства объектов задаются в базе данных атрибутивными сущностями.

1. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. -2 изд.. -СПб: Невский диалект, 1998. -558 с.

2. Коган И.Д. Подсчет запасов и геоло

Сущность «Атрибут объектов класса» задает набор атрибутов, которые могут характеризовать объекты определенного класса в целом. Сущность «Словарь атрибутов» задает набор всех возможных атрибутов, которыми могут описываться объекты разных классов и отдельные пространственные элементы. Сущность «Значение атрибутов объекта», как следует из названия, задает значения всех атрибутов, доступных для объекта определенного класса. Сущность «Атрибут призм» задает набор атрибутов, которые могут характеризовать отдельные призмы пространственных объектов, а сущность «Значение атрибутов

ПЭ_Призмы» задает соответствующие значения. Некоторые значения атрибутов могут быть точно заданы в виде перечисления, которые определяются сущностью «Справочник».

Таким образом, разработанная структура базы данных обеспечивает эффективное хранение объектной пространственно-атрибутивной информации о предметной области и удовлетворяет требованиям объектно-ориентирован-ности, масштабируемости в пространстве и времени.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

го-промышленная оценка рудных месторождений. М.: Недра, 1974 г.

3. Пучков Л. А. Шек В.М. Патент № 2130548. Способ определения количества полезного ископаемого в массиве горных пород.

___Коротко об авторах ___________________________________________________________

Литвинов А.Г. - аспирант, кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет.