Zarzadzanie danymi przestrzennymi

Przestrzenne bazy danych
Definicja i cechy
przestrzennej bazy danych
Zakres wykładów

Definicja i cechy przestrzennych baz danych

Typy geometryczne

Funkcje geometryczne

Modelowanie danych

Metody rozwiązywania problemów przestrzennych

Zastosowanie przestrzennych baz danych w aplikacjach
sieciowych
Literatura




Obe R., Hsu L., 2012. PostgreSQL: Up and Running. O'Reilly
Obe R., Hsu L., 2011, 2015. PostGIS in Action , Manning
Publications
Marquez A. 2015. PostGIS Essentials, Packt Publishing
Stones R., Mattew N. 2002. Bazy danych i PostgreSQL.
Od podstaw, Helion
Tutoriale:

http://postgis.refractions.net/documentation/

http://www.bostongis.com

http://workshops.boundlessgeo.com/postgis-intro/
Podstawowe funkcje systemów GIS





Wprowadzanie danych
Generalizacja danych
Przechowywanie danych
Zarządzanie danymi
Analizy i prezentacje danych
Przykładowe funkcje analiz przestrzennych

Graficzna klasyfikacja danych
– wizualizacja obiektów na podstawie atrybutów opisowych (np. różne
grubości i barwy linii dróg w zależności od atrybutów)

Buforowanie
– Wyznaczanie strefy wokół obiektów za pomocą promienna podanego
przez użytkownika

Analizy sieciowe
– Sieć połączonych obiektów może posłużyć do analiz i symulacji
rozpływu określonego medium (np. szacowanie ruchu samochodowego,
wyznaczanie najkrótszej i najszybszej drogi dojazdu)
Przykładowe funkcje analiz przestrzennych

Obliczanie powierzchni i długości

Wizualizacja
– Prezentacja danych GIS może przybierać postać interaktywnej mapy lub
tabeli z atrybutami opisowymi, może też polegać na drukowaniu map,
tabel, wykresów

Geokodowanie
– Funkcja pozwalająca na automatyczne umieszczanie na mapie
dowolnych obiektów na podstawie ich adresów w specjalnej warstwie
adresowej bez stosowania współrzędnych geograficznych
Mapa cyfrowa
Mapa cyfrowa przechowuje umiejscowienie i kształt geometryczny
obiektów geograficznych wraz informacjami opisującymi te obiekty
Cechy mapy cyfrowej

Każdy element na mapie cyfrowej w systemie GIS posiada swój opis w bazie danych

Obiekty są zapisane w odpowiednim układzie współrzędnych, wizualizowane z
zastosowaniem odpowiedniej projekcji

Dane w systemie GIS są przechowywane w maksymalnie elastyczny sposób, aby ich
zarządzanie i analiza były jak najbardziej efektywne
Elementy mapy cyfrowej
•
Warstwa
– obejmuje obiekty posiadające pewną cechę wspólną (niektóre systemy GIS
pozwalają na tworzenie warstw obiektów tylko jednego typu: warstwa punktowa,
liniowa, obszarowa
– Do każdej warstwy dołączona jest jedna tabela atrybutów z określonymi polami
wspólnymi dla każdego obiektu
– Atrybuty wyświetlania takie jak kolor, grubość linii, rodzaj wypełnienia ustalone są
dla całej warstwy
•
Obiekt
– Składnik warstwy, najmniejszy samodzielny element, jaki można wyróżnić na
mapie
– Reprezentacja graficzna obiektu jest łączona z informacją opisową
przechowywaną w bazie danych i może to być liczba, text, zdjęcie, dźwięk,
animacja
– Każdy obiekt składa się z co najmniej jednego punktu o zadanych współrzędnych
•
Atrybuty opisowe
– Podstawowa cecha systemów GIS to możliwość opisania każdego obiektu
– Każdy obiekt może być opisany dowolną ilością informacji dowolnego typu
– W celu wymiany informacji pomiędzy systemami GIS istnieją narzędzia do
konwersji map: formaty shapefile, DGN, MIF.
Modele danych przestrzennych


Pliki lub zbiory plików często o hierarchicznej strukturze
Bazy danych:
– Relacyjne bazy danych
• Zestaw kolumn i wierszy tworzących tabele, które mogą być ze sobą
powiązane za pomocą wspólnego atrybutu (klucza).
– Obiektowe bazy danych
• Klasy obiektów, które posiadają atrybuty
• Obiekty wyposażone w swoje zachowania czyli „metody”
• Cechy i metody jednych obiektów mogą być dziedziczone przez inne
obiekty
– Obiektowo-relacyjna baza danych
• przechowuje zmienne obiektowe w relacyjnej kolumnie tabeli tak jak
podstawowe typy danych
• pozwala tworzyć własne typy danych, nowe funkcje i operatory które
funkcjonują jak typy podstawowe
Przestrzenna baza danych
Przestrzenna baza danych to baza danych,

która pozwala definiować specjalne typy danych dla obiektów
geometrycznych i przechowywać dane geometryczne w normalnej
bazie danych

dostarcza specjalne funkcje i indeksy pozwalające analizować
dane przestrzenne w języku SQL

jest narzędziem analitycznym
Ewolucja aplikacji GIS
Źródło: http://workshops.boundlessgeo.com/postgis-intro/introduction.html
Modele przechowywania geodanych
w bazach danych




Pojedyncza baza przechowująca zarówno dane geometryczne, jak i opisowe;
Dwie bazy danych: jedna na dane geometryczne, druga na dane opisowe;
Jedna baza na dane geometryczne połączona z wieloma bazami
przechowującymi dane opisowe
Do przechowywania geodanych w bazach danych wykorzystywane są
rozszerzenia przestrzenne stworzone przez producentów baz danych w celu
rozszerzenia standardowej bazy danych o możliwość przechowywanie danych
przestrzennych




Oracle Spatial
PostGIS/PostgreSQL
SpatiaLite/SQLite
Spatial SQL Server
Zalety przestrzennej bazy danych



Przechowywanie danych w plikach np. shapefile wymaga
specjalnego oprogramowania GIS do odczytu i zapisu - SQL daje
możliwość jednolitego dostępu do danych i ich analizy
Przestrzenne bazy danych umożliwiają pracę równoległą na tych
samych danych
Skomplikowane analizy przestrzenne mogą być definiowane za
pomocą pojedynczych zapytań SQL zastępujących skomplikowane
moduły aplikacji GIS
Geometryczne typy danych

Przestrzenna baza danych taka jak PostGIS stosuje obiekty typu
„Simple Features” zgodne z OpenGIS Consortium:

POINT

MULTIPOINT

LINESTRING

MULTILINESTRING

POLYGON

MULTIPOLYGON

GEOMETRYCOLLECTION

CURVE

MULICURVE
Źródło: http://workshops.boundlessgeo.com/postgis-intro/introduction.html
Analiza przestrzenna
• Zapytanie przestrzenne jest zapytaniem do bazy danych stosującym
funkcje geometryczne aby odpowiedzieć na pytania dotyczące
przestrzeni i obiektów w przestrzeni;
• Rozszerzenia przestrzenne baz danych takie jak PostGIS dodają do
standardowego języka SQL funkcje współpracujące z obiektami
geometrycznymi jak ze zwykłymi danymi
Indeksy PostgreSQL
• Indeksy B-Tree
– Używane dla danych liczbowo-tektowych
• Indeksy R-Tree
– Dzielą dane przestrzenne na siatki prostokątów,
każdy z prostokątów jest dzielony na kolejne
prostokąty
• Indeksy GiST( Generalized Search Trees)
– Stosowane w PostGIS
– Dzielą dane na obiekty pozostające w relacjach z
innymi obiektami
Działanie indeksów przestrzennych
Źródło: http://workshops.boundlessgeo.com/postgis-intro/introduction.html
Prostokąt obwiedni obiektu (bounding box) najmniejszy możliwy prostokąt równoległy
do osi układu współrzędnych zawierający wpisany obiekt
Indeksy przestrzenne sprawdzają czy zachodzi relacja pomiędzy prostokątami
obwiedni analizowanych obiektów
Tworzenie obiektów geometrycznych
w PostGIS (punkty)
Tworzenie punktów:
SELECT ST_Point(1, 2) As MyFirstPoint;
Tworzenie punktu względem współrzędnych geograficznych ( obiekt zapisany w
postaci biarnej):
SELECT ST_SetSRID(ST_Point(-77.036548, 38.895108),4326);
Tworzenie punktu względem współrzędnych geograficznych ( obiekt zapisany w
postaci reprezentacji tekstowej WKT – Well Known Text)
SELECT ST_GeomFromText('POINT(-77.036548 38.895108)', 4326);
Wynik zapytania:
st_geomfromtext
0101000020E6100000FD2E6CCD564253C0A93121E692724340
Tworzenie obiektów geometrycznych
w PostGIS (linie i poligony)
Utworzenie linii:
SELECT ST_GeomFromText(
'LINESTRING(-14 21,0 0,35 26)') AS MyCheckMark;
Utworzenie poligonu w kształcie trójkąta:
SELECT ST_GeomFromText(
'POLYGON((0 1,1 -1,-1 -1,0 1))') As MyTriangle;
Tworzenie danych przestrzennych w tabelach
•
•
Utworzenie tabeli:
–
CREATE TABLE linie(
ID integer,
NAME varchar(25),
geom geometry(LINESTRING)
);
–
CREATE TABLE poligony(
ID int4,
NAME varchar(25),
geom geometry (POLYGON)
);
Wstawienie danych geometrycznych:
–
INSERT INTO linie (ID, NAME, GEOM) VALUES (1, ‘opis’,
GeomFromText(‘LINESTRING(2 3, 4 5, 6 5, 7 8)’));
–
INSERT INTO poligon (ID, NAME, GEOM) VALUES (1, 'pole1',
GeomFromText('POLYGON((52 218, 139 82, 262 207, 245 261, 207 267, 153
207, 125 235, 90 270, 55 244, 51 219, 52 218))'));
Tworzenie danych przestrzennych
Wizualizacja w QGIS
Tworzenie danych przestrzennych
Pobranie danych z pliku csv
Utworzenie kolumny do przechowywania geometrii
Utworzenie geometrii na podstawie współrzędnych
Tworzenie danych przestrzennych c.d.
Zapytania przestrzenne
Typy obiektów przestrzennych
Obiekty geometryczne
Obiekty geograficzne
Obiekty rastrowe
Typ geometryczny i geograficzny
GEOMETRY_COLUMNS – opis danych typu geometry pozwalającego
przechowywać dane w postaci współrzędnych płaskich
GEOGRAPHY_COLUMNS – opis danych typu geography
pozwalającego przechowywać dane w postaci współrzędnych
geograficznych i wykonywać obliczenia na sferze – wyniki
otrzymamy w metrach
SELECT ST_Distance('POINT(16.9 52.399)'::geography, 'POINT(-74.5 40.7)':: geography);
--6650462.04710672 wynik w metrach
SELECT ST_Distance('POINT(16.9 52.399)'::geometry, 'POINT(-74.5 40.7)':: geometry);
-- 92.145681401789wynik w stopniach
Widok GEOMETRY COLUMNS


F_TABLE_CATALOG, F_TABLE_SCHEMA, F_TABLE_NAME
– lokalizacja danych
F_GEOMETRY_COLUMN – nazwa kolumny z geometrią w tabeli
przestrzennej

COORD_DIAMENSION – wymiary przestrzennych danych ( 2-D, 3-D, 4-D)

SRID – układ odniesienia

TYPE – typ danych (zgodne z OGC Simple Feature)
Kolumna COORD_DIAMENSION
COORD_DIAMENSION – wymiary układu współrzędnych (ilość osi układu
współrzędnych)
– 2 X-Y
– 3 X-Y-Z, X-Y-M
– 4 X-Y-Z-M
Wymiary obiektów geometrycznych - każdy typ geometryczny posiada własn
wymiary:

point, multipoint (0D)

linestring, multistring (1D)

polygon, multipolygon (2D)

bryły: sześciany, kule, obiekty amorficzne (3D) wspierany w PostGIS 2+
Kolumna SRID


SRID (Spatial Reference Identifier) – dane pobrane z katalogu
wszystkich układów odniesienia dostępnych w bazie danych SPATIAL_REF_SYS
Domyślny SRID w PostGIS 2.0 to 0 – reprezentuje nieoznaczony
układ odniesień (wersjach Postgis1.* to -1)
Tabela SPATIAL_REF_SYS



SRID – identyfikator układu odniesienia
AUTH_NAME – nazwa standardu do opisu układu odniesienia np. EPSG
(European Petroleum Survey Group)
AUTH_SRID – identyfikator układu odniesienia wg standardu określonego
poprzednim polu

SRTTEXT – reprezentacja WKT układu odniesienia

PROJ4TEXT – definicja układu współrzędnych zgodna z biblioteką Proj4