Требования к геоинформационным системам и содержанию баз данных (стр. 3 из 4)

В понятие БД включается система управления базой данных (СУБД), предназначенная для выполнения операций по обработке данных в прикладных программах. СУБД просматривает описание физической организации БД и определяет, какую физическую запись (записи) требуется считать, при этом СУБД выдает операционной системе ЭВМ команду чтения требуемой записи.

Нередко понятия БД и СУБД объединяют в одно понятие банк данных.

Понятие базы данных неразрывно связано со структурой ее построения (выделяют иерархические, сетевые и реляционные БД), языком манипулирования данными и языком описания данных.

Язык описания данных (ЯОД) – средство объявления СУБД тех структур, которые будут использоваться при обработке. ЯОД включается в программное описание ЭВМ. ЯОД для логического описания должен идентифицировать типы данных (элемент, запись, файл), т.е. присваивать имя каждому типу данных.

Язык манипулирования данными (ЯМД) – это интерфейс (стыковка) между прикладной программой и СУБД. ЯМД включает ряд программ, осуществляющих открытие или закрытие файла, замену или удаление отдельных записей из файла (или самого файла), передачу в рабочую область программы содержимого указанного элемента данных и т.д.

Среди структур построения БД наиболее распространены в геологоразведке реляционныеБД. Реляционные БД – это табличное представление данных, обычно в виде двумерных таблиц. Каждый элемент таблицы – это один элемент данных, повторения здесь отсутствуют. Все столбцы таблиц – однородные, т.е. элементы столбца имеют одинаковую природу (значения одного и того же поля, свойства, параметра и т.д.). Каждому столбцу присвоены имена. В таблице нет двух одинаковых строк, поскольку координаты точек наблюдения разные. В операциях с таблицей ее строки и столбцы могут рассматриваться в любом порядке, в любой последовательности. Все наиболее применяемые таблицы при, геолого-геофизических исследованиях, например, таблица петрофизических свойств горных пород, таблица описания физико-геологической модели объекта (месторождения) и т.д., удовлетворяют указанным свойствам. Подобные таблицы называются отношением, а база данных, построенная с помощью отношений называется реляционной. Таким образом, реляционная БД строится из плоских наборов элементов данных (рис. 2, а). В реляционных БД встречаются термины: домен (один столбец таблицы) и кортеж – таблица, определяющая взаимосвязь между элементами. данных. Иначе, кортеж – набор взаимосвязанных величин, а файл образуется из набора кортежей.

Основные преимущества реляционных БД: простота, гибкость, точность, связность, простота внедрения, независимость данных от прикладных программ, ясность.

Распространенными структурами БД в геологоразведке являются также иерархическиеили древовидные структуры (см. рис. 2, б). Дерево – это иерархия элементов, называемых узлами. На верхнем (первом) уровне иерархии находится один узел – корень. Каждый узел, кроме корня, связан с одним узлом на более верхнем уровне, называемом исходным узлом для данного узла. Ни один элемент не имеет более одного исходного. Каждый элемент может быть связан с одним или несколькими элементами на более низком уровне. Такие элементы называются порожденными, а элементы, не имеющие в конце ветви порожденных, называются листьями.

Используется термин иерархический файл, т.е. такой файл, в котором записи связаны в виде древовидной структуры. Иерархические структуры БД использованы в автоматизированной системе АСПО-8 и в концепции создания банка «Разведочная геофизика».

Редко используется так называемые сетевые структуры БД, приведенные на рис. 2, в.

В трех приведенных на рис. 2, в сетевых структурах первая (слева) имеет три уровня и для каждого узла – два исходных элемента, вторая (в середине) – четыре уровня, третья (справа) – пять уровней.

Сетевые структуры БД характерны для организации управлением геологоразведочным производством на уровне экспедиции и выше.

Организация данных в БД прежде всего должна правильно передавать их основное смысловое значение, или семантику, и позволять эффективно к ним обращаться. В обычной прикладной программе структура данных организуется таким образом, чтобы обеспечить удобный доступ к ним из данной программы.

Рисунок 2. Структуры данных:

а-реляционная, б-иерархическая, в-сетевая

БД содержит данные, которые используются множеством разнообразных программу, следовательно, при определении структуры БД нельзя ориентироваться на критерии, используемые при программировании конкретных функций. При обработке геолого-геофизических данных БД характеризуется большими и очень большими размерами выборок. Большим называется такое значение, которое превосходит количество данных, обрабатываемых одним человеком, даже если он имеет доступ к вычислительной системе. Фактическое количество изменяется от сложности данных и решаемых задач. Примером большой БД является система, содержащая сведения уже о 5000 образцах, рудных телах, месторождениях и т.д. Такая БД может, например, содержать 300 000 записей десятка или более типов. Три тысячи сейсмических лент со стоканальной записью каждая уже образуют большую БД.

Очень большая БД образуется, например, при сведении всех геолого-геофизических данных для одного миллионного листа.

Большие массивы геолого-геофизической информации требуют использования специальных систем для организации хранения и поиска данных. Такие системы называются информационно-поисковыми (ИПС). ИПС, по существу, представляют БД совместно с СУБД, осуществляющих быстрый поиск данных. Поиск данных обычно производится по определенному символу. В отличие от БД и СУБД, которые можно рассматривать раздельно, для ИПС характерна неразрывная связь функций БД и СУБД.

В сейсморазведке при создании автоматизированной системы обработки данных СЦС-3 широкое применение получила ИПС «ИНЕС». При обработке и интерпретации данных ГИС используется ИПС ГЕОКОМПАС, базирующаяся на СУБД КОМПАС.

2.2 Файловые базы данных

Вышеприведенные определения БД, основанные на концепциях CODASYL, а также иерархические и сетевые структуры БД сложно использовать при хранении, поиске и обработке массовых геолого-геофизических данных, что объясняется следующими обстоятельствами:

1)при многоэтапной и многоцелевой обработке данных трудно заранее определить связи между всеми типами геообъектов и соответствующими им типами записей. При решении разных геологических задач взаимосвязи между объектами обработки (точками наблюдений, геологически однородными площадками, геохимическими и геофизическими аномалиями, известными проявлениями полезных ископаемых и т.п.) изменяются. Изменяется также и принцип группирования записей, соответствующих этим объектам;

2)отдельная запись при обработке геолого-геофизических материалов не имеет, как правило, самостоятельного значения.

Поэтому средства большинства систем управления базами данных, ориентированными на поиск и предоставление программисту единичных записей, не могут удовлетворить ни программиста, занимающегося созданием геолого-геофизического программного обеспечения, ни геолога-геофизика как специалиста в. области обработки и интерпретации данных;

3) реляционные БД в большей степени, чем сетевые и иерархические, приспособлены к обработке геолого-геофизических данных, поскольку реляционную БД можно рассматривать как совокупность разнообразных таблиц объекты – свойства, связи между таблицами неявно определяются через общие элементы данных, например, координаты точек. Однако и реляционная БД практически не учитывает особенности технологии хранения, поиска и обработки массовых данных: а) геолого-геофизические данные хранятся в виде географически, покоординатно заданной информации, относящейся к определенному методу, способу исследований при определенной детальности работ (масштабе работ); б) при долговременном хранении геолого-геофизические данные не модифицируются, так как они обычно прошли стандартную первичную обработку; в) каждый новый фрагмент данных должен рассматриваться как автономный (иначе ведение баз при их реальных огромных объемах станет непосильно трудоемким), но система поиска должна обеспечивать оперативный поиск и выбор требуемого фрагмента базы данных; г) технология обработки диктует необходимость доставки геолого-геофизических данных не по отдельным записям, а достаточно большими порциями (сейсмическая трасса, профиль, площадь съемки и т.п.).

С учетом отмеченных обстоятельств и особенностей технологии хранения и обработки геоинформации В.В. Ломтадзе предложил синтезировать достоинства файловых структур описания данных, информационно-поисковых систем и реляционных БД, К достоинствам файловой структуры относится автономия фрагментов информации, оформляемых в виде отдельных файлов. Достоинства ИПС заключаются в возможности смыслового поиска фрагментов информации (файлов), требуемых для решения конкретных задач. Наконец, достоинства реляционных баз данных состоят в логической ясности представления данных, гибкости их преобразования и т.д., поскольку можно «вырезать» из таблиц объекты – свойства требуемые столбцы (свойства) или, наоборот, «склеивать» их, формируя для прикладных программ файлы с заданным составом записей.

Под файловой базой данных (ФБД) понимается совокупность организованных по общим принципам файлов, между которыми неявно определены связи. Если в сетевых и иерархических базах данных объектом поиска и обработки является запись, то в ФБД основной объект поиска и обработки представляет файл или же совокупность взаимосвязанных однотипных записей, называемая массивом и являющаяся частью файла. В частных случаях можно выполнять работу и с отдельными записями.