Paikkatiedon hallinta ja analyysi 3. Paikkatietomallit ja kyselyt

Transkriptio

1 HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI Paikkatiedon hallinta ja analyysi 3. Paikkatietomallit ja kyselyt Antti Leino 21. maaliskuuta 2005 Tietojenkäsittelytieteen laitos

2 Sisältö Esimerkkitietokanta Paikkatietotyypit Relaatiomallin paikkatietolaajennokset Oliomallit Rigaux Scholl Voisard 2002: Spatial Databases, luku 3 Shekhar Chawla 2003: Spatial Databases: A Tour, luku 3

3 Relaatiotietokanta Perusajatus: tieto esitetään relaatioina Helpointa ajatella taulukkona normaalisti puhutaankin taulusta (table) Sarakkeiden arvojoukot D 1,...,D n Relaatio: osajoukko ristitulosta D 1 D n Joukko monikkoja (tuple) (d 1,..., d n ) Kyselyt esitettävissä formaalisti relaatioalgebran avulla

4 Esimerkkitietokanta Kurssia varten on olemassa PostgreSQL-tietokanta, jossa PostGIS-laajennos Paikkatiedon käsittely Open GIS -määritysten mukaan Käyttö palvelimella db.cs.helsinki.: /usr/local/pgsql-7.4/bin/psql -p U kurssi kunnat01 Password: Welcome to psql 7.4.7, the PostgreSQL interactive terminal. Type: \copyright for distribution terms \h for help with SQL commands \? for help on internal slash commands \g or terminate with semicolon to execute query \q to quit kunnat01=>

5 Kuntataulu Taulu kunnat01: Suomen kunnat v wkb_geometry sijaintitieto kuntakoodi numeerinen kuntakoodi nimi kunnan nimi laani lääni, johon kunta kuuluu maakunta maakunta, johon kunta kuuluu miehet kunnassa asuvien miesten lukumäärä naiset kunnassa asuvien naisten lukumäärä yht kunnan väkiluku ulkom_miehet kunnassa asuvat ulkomaalaiset miehet ulkom_naiset kunnassa asuvat ulkomaalaiset naiset ulkom_yht kunnassa asuvat ulkomaalaiset (so. muut kuin Suomen kansalaiset) muutos00 väkiluvun muutos vuodesta 2000

6 Lisää tauluja Taulu autoilu ajokm Ajokilometrit yleisillä teillä v autoja Henkilöautoja v tiet Yleisiä teitä v (km) Taulu elintaso tulot_hlo Keskitulot / henkilö 1996 (mk) tulot_talous Keskitulot / talous 1996 (mk) asunnot Asuntojen keskikoko 1998 (m 2 ) asuintila Asuintilaa / henkilö 1998 (m 2 ) sosiaali Sosiaali- ja terveystoimen kustannukset (mk/asukas) Taulu koulutus tutkinnot Korkeakoulututkinnon suorittaneita 20 vuotta täyttäneistä 1998 (%) opiskelijat Opiskelijatalouksia (%)

7 Vielä pari lisää Taulu vakiluku v70 vuonna 1970 v99 vuonna 1999 v10 ennuste 2010 (1998) Taulu vaalit96: vuoden 1996 kunnallisvaalit, % valtuustopaikoista keskusta Keskusta kokoomus Kokoomus sdp Sosiaalidemokraatit sfp Ruotsalainen kansanpuolue vasemmistoliitto Vasemmistoliitto vihreat Vihreät

8 Relaatioalgebra Formaali tapa esittää operaatiot relaatioiden käsittelyyn Ei sellaisenaan käytössä tietokannoissa Kyselykielet, mm. SQL, lähellä Hyödyllinen teoriatausta tietokannan tietokannanhallintajärjestelmän suunnittelussa Minimissään viisi perusoperaatiota, lisää voidaan johtaa

9 Relaatioalgebran operaatiot Normaaleja joukko-opin operaatioita Yhdiste: R S = {t (t R) (t S)} Erotus: R S = {t (t R) (t S)} Ristitulo: R S = {t u (t R) (u S)} Relaatioalgebran omia Projektio: π A1,...,A n (R) = {(a 1,..., a n ) t R i {1,..., n} : a i = t.a i } Valinta: σ ehto (R) = {t (t R) (ehto on voimassa)} Lisäksi muita, yleensä ainakin Leikkaus: R S = R (R S) = S (S R) Liitos: R ehto S = σ ehto (R S)

10 Liitosoperaatiot Yleinen liitos: yhdistetään toisiinsa ne monikot, jotka täyttävät liitosehdon Ulkoliitos: Tulosrelaatiossa mukana sellaiset monikot, joille ei löydy paria toisesta lähtörelaatiosta Tällaiset mukaan joko vain toisesta tai molemmista lähtörelaatioista Luonnollinen liitos: yhdistetään toisiinsa ne monikot, joissa yhteiset (so. samannimiset) sarakkeet ovat samat

11 SQL Kieli relaatiotietokantojen käsittelyyn: tietokannan tietosisällön määrittelyyn tietojen päivitykseen tietojen hakuun käyttäjien ja käyttöoikeuksien määrittelyyn Tuoreimmat standardin verisiot SQL-92 SQL:1999 SQL:2003 Tällä kurssilla käytössä PostgreSQL 7.4, jossa toteutettuna valtaosa standardi-sql:stä 1 1 Tällä hetkellä ei ole saatavilla tkhj:tä, joka toteuttaisi kaikki SQL:2003-määritysten pakolliset osat

12 Taulun luominen Esimerkiksi kurssiaineistona oleva koulutus-taulu: CREATE TABLE koulutus ( kunta VARCHAR(25) NOT NULL, tutkinnot NUMERIC(4,2), opiskelijat NUMERIC(1), PRIMARY KEY (kunta) ); Avaimena kunnan nimi Numeerisia tietoja korkeakoulututkinnon suorittaneiden ja opiskelijoiden osuudet väestöstä

13 Taulussa olevan tiedon muuttaminen Tietojen lisääminen INSERT INTO koulutus VALUES ( Helsinki, 22.6, 4); Tietojen muuttaminen UPDATE koulutus SET opiskelijat = 4 WHERE kunta = Helsinki ; Tietojen poistaminen DELETE FROM koulutus WHERE kunta = Helsinki ;

14 Tietokantahaku Perushaku: kunnat, joissa korkeakoulu yli 20% aikuisväestöstä SELECT kunta, tutkinnot FROM koulutus WHERE tutkinnot > 20 ORDER BY tutkinnot DESC; Tulos: kunta tutkinnot Kauniainen Espoo Helsinki Oulu Kirkkonummi (5 rows)

15 Hakuehtojen yhdistäminen Hakuehdossa voi toki käyttää myös loogisia operaattoreita AND, OR, NOT Kunnat, joissa paljon sekä tutkinnon suorittaneita että opiskelijoita SELECT * FROM koulutus Tulos: WHERE tutkinnot > 17.5 AND opiskelijat > 4; kunta tutkinnot opiskelijat Jyväskylä Oulu Tampere (3 rows)

16 Kysely useasta taulusta Valtuustojen voimasuhteet korkeasti koulutetuissa kunnissa SELECT vaalit96.* FROM koulutus, vaalit96 WHERE vaalit96.kunta = koulutus.kunta AND koulutus.tutkinnot > 20; Tulos: kunta keskusta kokoomus sdp sfp vasemmistoliitto vihreat Espoo Helsinki Kauniainen Kirkkonummi Oulu (5 rows)

17 Yhteenvetokyselyt Kyselytuloksessa voi käyttää operaattoreita MIN, MAX, AVG, COUNT ja SUM Yhteenlaskettu väkiluku kunnissa, joissa on korkein tulotaso SELECT SUM(kunnat01.yht) FROM kunnat01, elintaso WHERE kunnat01.nimi = elintaso.kunta AND elintaso.tulot_hlo > 80000; Tulos: sum (1 row)

18 Luokittelu Kyselytuloksen voi luokitella Läänien väkiluku SELECT laani, sum(yht), sum(ulkom_yht) FROM kunnat01 GROUP BY laani ORDER BY laani; Tulos: laani sum sum (6 rows)

19 Alikyselyt Hakuehdossa voi käyttää mukana alikyselyn tuloksia Ahvenanmaan keskimääräistä suuremmat kunnat SELECT nimi, yht FROM kunnat01 WHERE laani = 6 AND yht > (SELECT AVG(yht) FROM kunnat01 WHERE laani = 6) ORDER BY yht DESC; nimi yht Maarianhamina Jomala 3328 Finström 2299 Saltvik 1679 (4 rows)

20 SQL ja paikkatieto Perus-SQL, samoin kuin relaatioalgebra, lähtee yksinkertaisista tietotyypeistä Numeroita, merkkijonoja, aikoja Geometriatieto monimutkaisempaa Oliorelaatiotietokanta Uusien tietotyyppien ja niiden operaatioiden määrittely Tietotyyppien luokkahierarkia: aliluokat, moniperintä Paikkatietotyypit lisättävissä

21 Open GIS Ohjelmistovalmistajien yhteenliittymä Tavoitteena paikkatietojärjestelmien yhteensovittamiseen tarvittava standardointi Taustalla oliopohjainen tietomalli Tietomalli sovellettavissa eri ohjelmointikielillä; tässä SQL-määritykset Geometriatieto jakaantuu neljään alaluokkaan: 02-ulotteisiin yksittäisiin kohteisiin ja niiden kokoelmiin

22 Open Gis:n luokkahierarkia

23 Perusoperaatiot Paikkatietotyypeille on määritelty mm. Dimension(): kohteen ulottuvuus SRID(): Käytetyn koordinaattijärjestelmän tunniste IsEmpty(): Onko kohteen esitys tyhjä IsSimple(): Onko kohde yksinkertainen Boundary(): Kohteen reuna Envelope(): Pienin koordinaattiakselien suuntainen suorakulmio, jonka sisään kohde sopii

24 Topologiset suhteet Kohteiden välisistä topologisista suhteista on määritelty Equals(): A = B Disjoint(): A B = Touches(): ( A B ) (A B = ) Within(): A B Overlaps(): (A B ) Crosses(): (A l ) ( Within(l, A)) (Dim(A l) < max(dim(a),dim(l))) Intersects(): Disjoint(A, B) Contains(): Within(B, A)

25 Paikkaoperaatiot Sijaintisuhde Distance(): lyhin kohteiden välinen etäisyys Topologiset ym. operaatiot Intersection(): A B Difference(): A B Union(): A B SymDifference(): (A B) (A B) Buffer(): Alue d pituusyksikön sisällä A:n ympärillä ConvexHull(): A:n konveksi verho, so. pienin kupera monikulmio, jonka sisään A sopii

26 Piste- ja viivakohteiden funktiot Pistekohteille määritellyt funktiot X(): pisteen x-koordinaatti Y(): pisteen y-koordinaatti Viivakohteille määritellyt funktiot StartPoint(): alkupisteen koordinaatit EndPoint(): loppupisteen koordinaatit IsClosed(): StartPoint(l) = EndPoint(l) IsRing(): IsClosed(l) IsSimple(l) Length(): Murtoviivan pituus NumPoints(): Murtoviivan kulmapisteiden lukumäärä PointN(): n:nnen kulmapisteen koordinaatit

27 Aluekohteiden funktioita Aluekohteiden funktioita Centroid(): keskipiste (ei välttämättä kohteen sisällä!) PointOnSurface(): palauttaa kohteen sisäpisteen Area(): alueen pinta-ala Kokoelmakohteiden funktioita NumGeometries(): kokoelman kohteiden lukumäärä GeometryN(): kokoelman n:s osakohde

28 Paikkatietoa käyttävä haku Helsingin lähikunnat SELECT b.nimi, distance(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry) FROM kunnat01 AS a, kunnat01 AS b WHERE a.nimi = Helsinki AND DISTANCE(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry) < ORDER BY DISTANCE(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry); nimi distance Espoo 0 Helsinki 0 Vantaa 0 Sipoo 0 Kauniainen Tuusula Kerava Nurmijärvi (8 rows)

29 Kohteiden välinen raja Vierekkäisten alueiden leikkaus on niiden raja Helsingin ja sen naapurikuntien välisen rajan pituus SELECT b.nimi, LENGTH(INTERSECTION(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry)) FROM kunnat01 AS a, kunnat01 AS b WHERE a.nimi= Helsinki AND TOUCHES(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry); nimi length Espoo Vantaa Sipoo (3 rows)

30 Sijainti- ja ominaisuustiedon yhdistäminen Helsinkiä lähin keskustaenemmistöinen kunta SELECT b.nimi, DISTANCE(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry), vaalit96.keskusta FROM kunnat01 AS a, kunnat01 AS b, vaalit96 WHERE a.nimi = Helsinki AND b.nimi = vaalit96.kunta AND vaalit96.keskusta > 50 AND distance(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry) = (SELECT MIN(DISTANCE(a.wkb_geometry, b.wkb_geometry)) FROM kunnat01 as a, kunnat01 as b, vaalit96 WHERE a.nimi= Helsinki AND b.nimi = vaalit96.kunta AND vaalit96.keskusta > 50); nimi distance keskusta Artjärvi (1 row)

31 Laskentaa ominaisuus- ja sijaintitiedoilla Kunnat, joissa eniten julkisia teitä (tie-m / km 2 ) SELECT kunnat01.nimi, autoilu.tiet/area(kunnat01.wkb_geometry)*1e9 AS tietiheys, tiet, area(kunnat01.wkb_geometry)/1e6 as km2 FROM kunnat01, autoilu WHERE kunnat01.nimi = autoilu.kunta AND autoilu.tiet/area(kunnat01.wkb_geometry) > 8e-7 ORDER BY autoilu.tiet/area(kunnat01.wkb_geometry) DESC; nimi tietiheys tiet km2 Piikkiö Vantaa Lemu Merimasku Mietoinen (5 rows)

32 Hyvää pääsiäistä