Motivasi
Basis data konvensional (relasional) dirancang untuk data alfanumerik sederhana. Namun banyak aplikasi memerlukan penyimpanan dan manipulasi data spasial (lokasi, bentuk, hubungan keruangan), misalnya sistem informasi geografis (GIS), CAD/CAM, robotika, dan manajemen sumber daya alam.
Data geografis vs data CAD: keduanya sama-sama data spasial, tetapi:
- Data CAD (mis. desain chip, gambar teknik): objek relatif sedikit, presisi sangat tinggi, struktur hierarkis jelas, domain tertutup (dunia buatan manusia).
- Data geografis: volume objek sangat besar, presisi bervariasi, banyak layer/tema yang saling tumpang tindih, dan merepresentasikan dunia nyata yang kompleks (relief, batas administratif, jaringan jalan, dll).
Perkembangan GIS berawal dari peta kertas manual → digitasi peta (era 1960-70an) → sistem GIS modern yang terintegrasi dengan basis data.
Tema, Peta, dan Objek Geografis
Tema (theme) adalah kumpulan objek geografis (geographic objects) yang menggambarkan satu aspek/topik dari dunia nyata pada suatu area, misalnya tema “jaringan jalan”, tema “tata guna lahan”, tema “batas kecamatan”.
Sebuah objek geografis merepresentasikan entitas dunia nyata dan terdiri atas dua komponen:
- Deskripsi (description): himpunan atribut deskriptif/alfanumerik (mis. nama dan populasi suatu kota).
- Komponen spasial: terdiri atas:
- Geometri: lokasi pada ruang geografis yang mendasarinya, bentuk, dsb.
- Topologi: hubungan keruangan antarobjek, misalnya adjacency (ketetanggaan).
Komponen spasial yang diisolasi dari deskripsinya disebut objek spasial (spatial object).
Peta (map) adalah kumpulan dari beberapa tema yang digambarkan bersama pada suatu area geografis yang sama.
Spatial Data Types (SDT)
Untuk merepresentasikan geometri objek, digunakan tipe data spasial dasar:
- point — objek berdimensi nol (0-D)
- line — objek berdimensi satu (1-D)
- region — objek berdimensi dua (2-D)
Tipe-tipe ini nantinya menjadi domain dari atribut spasial (geo) pada skema tema, misalnya:
Countries = (name, capital, population, geo : region)
Languages = (language, geo : region)
Theme Algebra (Aljabar Tema)
Sebagaimana relasi memiliki aljabar relasional, tema juga memiliki aljabar tema untuk memanipulasi kumpulan objek geografis. Operasi-operasi utamanya (dibahas lebih rinci di catatan Spatial Data Modeling) mencakup: theme projection, theme selection, theme union, theme overlay (spatial join), geometric selection (windowing, point query, clipping), dan merger.
Arsitektur Spatial DBMS
Spatial DBMS membutuhkan dukungan penyimpanan, pengindeksan, dan query terhadap tipe data spasial. Ada tiga pendekatan arsitektural utama untuk mengintegrasikan kemampuan spasial ke dalam DBMS:
| Arsitektur | Penjelasan | Kelebihan | Kekurangan |
|---|---|---|---|
| Layered (berlapis) | Kemampuan spasial diimplementasikan sebagai lapisan software di atas DBMS standar (DBMS hanya menyimpan data secara umum, tanpa tahu semantik spasial) | Cepat dikembangkan, memanfaatkan DBMS yang sudah ada | Performa kurang optimal karena DBMS tidak dapat mengoptimalkan query spasial (tidak ada indeks spasial native, tidak ada optimasi query spasial) |
| Dual/loosely-coupled | Data alfanumerik disimpan di DBMS, sedangkan data spasial (geometri) disimpan terpisah di file system/struktur data khusus; keduanya dihubungkan melalui key | Masing-masing bagian dapat dioptimalkan sesuai kebutuhannya (DBMS untuk atribut, struktur khusus untuk geometri) | Konsistensi dan sinkronisasi antara dua penyimpanan sulit dijaga; transaksi lintas kedua sistem menjadi rumit |
| Integrated/extensible | Kemampuan spasial (tipe data, operator, indeks) dibangun langsung ke dalam kernel DBMS melalui mekanisme ekstensi (mis. ADT/abstract data type) | Performa terbaik: query optimizer dan indeks dapat menangani data spasial secara native | Membutuhkan DBMS yang mendukung mekanisme ekstensibilitas (extensible DBMS) |
Pendekatan integrated/extensible inilah yang menjadi basis dari standar modern seperti SQL-MM Spatial dan OGC Simple Features (lihat Physical Representation).
Diagram Arsitektur 3-Lapis
Diagram berikut menunjukkan gambaran umum bagaimana lapisan geographic data model, spatial data model, dan physical storage saling berhubungan dalam sebuah spatial DBMS:
Contoh Skema Relasional untuk Data Spasial
Untuk mengilustrasikan bagaimana tema direpresentasikan dalam model relasional yang diperluas (extended relational model), skema tema Countries dapat dituliskan sebagai tabel dengan kolom bertipe spasial:
create table Countries (
name varchar(30),
capital varchar(30),
population integer,
geo region
);Query spasial sederhana (mis. mencari semua negara yang beririsan dengan suatu area/window) dapat ditulis menggunakan fungsi/predikat spasial pada klausa WHERE, contoh:
select name
from Countries
where Overlaps(geo, :window);Kebutuhan (Requirements) Spatial DBMS
Agar dapat mendukung aplikasi GIS secara memadai, sebuah Spatial DBMS setidaknya harus menyediakan:
- Tipe data spasial (point, line, region, dan variasinya) sebagai first-class data type.
- Operasi/predikat spasial (topological, metric, directional) yang dapat digunakan dalam query.
- Struktur indeks spasial untuk mempercepat pencarian berbasis lokasi (dibahas di Spatial Queries and Indexing).
- Query language yang diperluas untuk mendukung ekspresi spasial (predikat, agregasi spasial, dsb).
- Antarmuka input/output grafis untuk visualisasi data dan hasil query.
- Efisiensi penyimpanan untuk data spasial yang volumenya besar dan bervariasi ukurannya.
Sumber
- P. Rigaux, M. Scholl, A. Voisard: “Spatial Databases With Application to GIS”, Chapter 1, Elsevier Science, 2002.
Flashcard
flashcards Apa itu tema (theme) dalam basis data spasial? :: Kumpulan objek geografis (theme = {geographic-objects}) yang menggambarkan satu topik pada suatu area geografis. Sebutkan dua komponen dari sebuah objek geografis :: (1) Deskripsi/atribut alfanumerik, dan (2) komponen spasial (geometri dan topologi). Apa perbedaan geometri dan topologi pada komponen spasial? :: Geometri = lokasi dan bentuk objek; topologi = hubungan keruangan antarobjek seperti adjacency (ketetanggaan). Sebutkan tiga tipe data spasial dasar (SDT) beserta dimensinya :: point (0-D), line (1-D), region (2-D). Sebutkan tiga pendekatan arsitektur untuk membangun spatial DBMS :: Layered (berlapis), Dual/loosely-coupled, dan Integrated/extensible. Apa kelemahan utama arsitektur layered pada spatial DBMS? :: DBMS di bawahnya tidak memahami semantik spasial sehingga tidak dapat mengoptimalkan indeks/query spasial secara native. Mengapa arsitektur dual/loosely-coupled sulit dijaga konsistensinya? :: Karena data alfanumerik dan data geometri disimpan di dua sistem penyimpanan terpisah yang harus disinkronkan secara manual. Apa keunggulan arsitektur integrated/extensible dibanding dua pendekatan lainnya? :: Tipe data dan operasi spasial dibangun langsung ke kernel DBMS sehingga query optimizer dan indeks dapat menangani data spasial secara native, menghasilkan performa terbaik.