Υλοποίηση πράξεων σχεσιακής άλγεβρας για τη διαχείριση χωρικών δεδομένων με λογισμικό ανοιχτού κώδικα

Abstract

Ένα χαρακτηριστικό των Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστηµάτων (ΓΠΣ) είναι η αδυναµία τους να αποθηκεύσουν σε ένα µόνο θεµατικό επίπεδο σηµειακά, γραµµικά και πολυγωνικά δεδοµένα. Το αποτέλεσµα όµως µιας χωρικής πράξης ενδέχεται να αποτελείται τόσο από σηµεία όσο και από γραµµές και πολύγωνα, µε αποτέλεσµα κάποια δεδοµένα χωρικής φύσεως να χάνονται. Για παράδειγµα, µολονότι στη γενική περίπτωση η τοµή δυο πολυγώνων αποτελείται όχι µόνο από πολύγωνα αλλά και από γραµµές και σηµεία, σε ένα ΓΠΣ τόσο οι γραµµές όσο και τα σηµεία χάνονται και το θεµατικό επίπεδο του αποτελέσµατος περιέχει µόνο πολύγωνα.

Προς αποφυγή αυτού του ανεπιθύµητου αποτελέσµατος, στην εργασία N. A. Lorentzos, J. R. R. Viqueira, Relational Formalism for the Management of Spatial Data, Computer Journal 49(1), January 2006, 62-81, προτείνεται µια επέκταση ταυ Σχεσιακού Μοντέλου Δεδοµένων, µε την οποία αποφεύγεται η απώλεια χωρικών δεδοµένων κατά την εκτέλεση µας χωρικής πράξης. Τα χαρακτηριστικά αυτής της προσέγγισής έχουν ως εξής.

1. Τα χωρικά δεδοµένα είναι πλεγµατικά. 2. Δεν υπάρχει ανάγκη διάκρισης µεταξύ διαφορετικών χωρικών θεµατικών δεδοµένων. 3. Τα χωρικά δεδοµένα βρίσκονται σε γνωρίσµατα (στήλες) σχέσεων (πινάκων), και αυτές οι σχέσεις µπορούν να έχουν επίσης µη χωρικά γνωρίσµατα. 4. Ορίζεται µια επέκταση της Σχεσιακής Άλγεβρας µε πράξεις µέσω των οποίων επιτυγχάνεται η διαχείριση σχέσεων και, ταυτόχρονα, η διαχείριση χωρικών δεδοµένων. Στην παρούσα Διπλωµατική εργασία περιγράφεται µια διαδικασία µε την οποία σε ένα ΓΠΣ µπορούµε να λάβουµε το ισοδύναµο αποτέλεσµα µε εκείνο της παραπάνω εργασίας, µε τη διαφορά ότι τώρα τα χωρικά δεδοµένα είναι διανυσµατικά. Επειδή όµως σε ένα ΓΠΣ τα δεδοµένα καταχωρίζονται αναπόφευκτα σε διαφορετικά θεµατικά επίπεδα (σηµειακά, γραµµικά, πολυγωνικά), η διαδικασία έχει ως εξής.

1. Στη γενική περίπτωση, χωρικά δεδοµένα ενός ΓΠΣ που αποτελούνται από σηµεία, γραµµές και πολύγωνα, φυλάσσονται χωριστά, σε σηµειακά, γραµµικά και πολυγωνικά θεµατικά επίπεδα, αντίστοιχα. Σε καθένα από αυτά τα θεµατικά επίπεδα αντιστοιχεί µια σχέση, η οποία περιέχει χωρικά και µη χωρικά γνωρίσµατα. 2. Για κάθε χωρική πράξη που πρέπει να λάβει χώρα στο ΓΠΣ, οι σχέσεις των αντιστοίχων σηµειακών, γραµµικών και πολυγωνικών θεµατικών επιπέδων µεταφέρονται σε ένα Σύστηµα Διαχείρισης Βάσεων Δεδοµένων (ΣΔΒΔ), το οποίο υποστηρίζει χωρικές πράξεις. 3. Στο ΣΔΒΔ εκτελούνται οι απαραίτητες SQL πράξεις, από τις οποίες προκύπτει µια σχέση µε το επιθυµητό χωρικό αποτέλεσµα. 4. Η σχέση µε το χωρικό αποτέλεσµα που προέκυψε στο προηγούµενο βήµα, µεταφέρεται στο ΓΠΣ, όπου διασπάται αυτόµατα σε τρείς σχέσεις, µια για κάθε θεµατικό επίπεδο, σηµειακό, γραµµικό και πολυγωνικό. Για τους στόχους της παρούσας Διπλωµατικής, επελέγησαν το Quantum GIS (QGIS) και το Postgres/PostGIS, που είναι αµφότερα Συστήµατα Ελεύθερου Λογισµικού/Λογισµικού Ανοιχτού Κώδικα.

Το σηµαντικότερο συµπέρασµα της Διπλωµατικής είναι ότι ένα ΓΠΣ θα πρέπει να υποστηρίζει όχι µόνο τα τρία τυπικά θεµατικά επίπεδα, σηµειακό, γραµµικό και πολυγωνικό αλλά και ακόµη ένα, γενικευµένο, οι δε χωρικές πράξεις θα πρέπει να µπορούν επίσης να εφαρµοσθούν σε γενικευµένα επίπεδα. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, κατά την εκτέλεση χωρικών πράξεων δεν θα παρατηρείται απώλεια χωρικών δεδοµένων αλλά, ανάλογα µε την εφαρµογή, θα είναι εφικτή η αξιοποίηση των αντίστοιχων χωρικών δεδοµένων.

One characteristic of Geographic Information Systems (GIS) is their inability to record in just one thematic layer point, line and polygon data. Τhe result however of one spatial operation may consist of both point, line and polygon data and, as a result, some data of spatial type are lost. For example, although in the general case the intersection of two polygons consists not only of polygons but also of lines and points, in a GIS both the lines and the points are lost and the resulting thematic layer contains only polygons.

To avoid this undesirable effect, in the paper N. A. Lorentzos, J. R. R. Viqueira, Relational Formalism for the Management of Spatial Data, Computer Journal 49(1), January 2006, 62-81, an extension of the Relational Data Model is proposed, by which the loss of spatial data at the execution of a spatial operation can be avoided. The characteristics of this approach are as follows. 1. The spatial data is of a grid type. 2. There is no need to distinguish between distinct thematic types of spatial data. 3. The spatial data are in attributes (columns) of relations (tables), and these relations may also have non-spatial attributes. 4. An extension of relational algebra is defined, with operations by which it is possible to achieve the management of relations and, at the same time, the management of spatial data.

In the present Dissertation, a procedure is described, by which it is possible to obtain within a GIS the equivalent result with that of the afore-mentioned paper, except that now the spatial data are of a vector type. Given however that in a GIS the data are inevitably recorded in different layers (of point, line, polygon type), the procedure is as follows. 1. In the general case, spatial data of a GIS, that consist of points, lines and polygons, are stored separately in point, line and polygon layers, respectively. A relation corresponds to each of these layers, which contains spatial and non-spatial attributes. 2. For every spatial operation that has to take place in the GIS, the relations of the respective point, line and polygon thematic layers are transferred to a Database Management System (DBMS) that supports spatial operations. 3. The necessary SQL operations are executed in the DBMS and a relation is obtained, which contains the desirable spatial result. 4. The relation with the spatial result, which was obtained in the previous step, is transferred to the GIS, where it is automatically split into three relations, one for each thematic layer, point, line and polygon.

For the objectives of the present Dissertation, the QuantumGIS(QGIS) and the PostgreSQL/PostGIS were chosen, which are both Open Source Software.

The most important conclusion of this Dissertation is that a GIS should support not only the three typical layers, point, line and polygon but also another one, generic, and the spatial operations should also be possible to be applied to generic layers. In this way, no spatial data loss will be identified at the execution of spatial operations but, depending on the application, it will be possible to exploit the relevant spatial data.