第四章_地理信息系统空间数据库

第四章地理信息系统空间数据库1空间数据库概述2空间数据库概念模型设计3空间数据库逻辑模型设计4空间数据库的物理设计5空间数据查询6空间元数据,1空间数据库概述11数据管理技术发展阶段经历三个阶段：人工管理：20世纪50年代中期以前。1946，第一台电脑ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美国宾夕法尼亚大学诞生。计算机主要用于科学计算，没有数据管理功能。数据与程序是一个整体，数据只为本程序所使用，不能共享。文件管理：20世纪50年代后期至60年代中期。计算机用于科学计算，也用于数据管理。数据以文件形式长期保存在磁盘上。但文件之间相互独立、缺乏联系。数据重复产生冗余。文件建立、存取、查询、插人、删除、修改等操作都要用程序实现。数据库管理：60年代后期以来。程序和数据的联系通过数据库管理系统实现。数据不再面向特定的某个或多个应用，而是面向整个应用系统。数据冗余减少，实现了数据共享。用户可以使用查询语言或终端命令操作数据库。,数据库是数据库系统的简称。一个完整的数据库系统应当包括三个组成部分：（1）数据库存储系统：按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合；（2）数据库管理系统：提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；（3）数据库应用系统：根据用户需求建立的具有数据库访问功能的应用软件。,空间数据管理方法发展,12空间数据库的概念,空间数据库系统也由三个部分组成：,（1）空间数据库存储系统空间数据库存储系统是GIS在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和。一般以一系列特定结构的文件形式存储在硬盘、光盘等介质上。在GIS中，空间数据库是核心。,（2）空间数据库管理系统指能够对介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供空间数据查询、检索、存取、维护和更新功能的软件系统。,（3）空间数据库应用系统,指由GIS的空间分析模型和应用模型所组成的软件。可以管理空间数据，运用空间数据进行分析和决策。,13空间数据库的设计空间数据库的设计就是将地理空间实体以一定组织形式在数据库系统中加以表达的过程。空间数据模型是对空间实体进行描述和表达的手段。空间数据库设计最终归结为空间数据模型设计,空间数据设计的过程和步骤GIS空间数据库的设计经历过程：现实世界-信息世界-计算机世界,空间数据库设计步骤：（1）需求分析：系统分析特定的专业应用需求。（2）概念设计:把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。概念模型是对现实世界的抽象。主要描述数据及其之间的语义关系。如实体-联系模型、面向对象数据模型。（3）逻辑设计：把概念模型利用数据库管理系统提供的工具映射为计算机中数据库管理系统所支持的数据模型。如实体-联系模型转换成关系数据库模型。（4）物理设计：数据库的逻辑模型在实际物理存储设备上加以实现，建立物理数据库。,数据库的系统结构,2空间数据库概念模型设计概念模型要反映GIS需求。对现象世界认识与抽象，包括：特征描述、关系分析、过程模拟等，用概念化模型表达。概念模型必须具备丰富的语义表达能力，易于设计人员交流和理解，修改，向各种模型转换等特点。常用概念模型：（1）传统数据模型（层次模型、网状模型、关系模型）（2）语义数据模型（3）面向对象数据模型,2.1传统的数据模型层次模型、网状模型和关系模型,层次数据模型,树数据结构。数据关系是一对多（1：N）。,优点：层次分明、结构清晰、易理解。缺点：冗余度大，不适于表示数据的拓朴关系。,网状数据模型,图数据结构。表达数据关系是多对多（M：N）。,同层次模型相比：优点：压缩了数据量。缺点：数据之间的联系通过指针表示，指针数据项使数据量大大增加。,关系数据模型实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表。在数学上把这种二维表叫做“关系”。这些关系表的集合就构成了关系模型。,优点：数据结构简单、清晰，能处理多对多关系。缺点：当涉及的目标很多时，查找操作时间长，效率低。,传统数据模型的缺点:,商用数据库大多数仍采用传统的数据模型，尤其是关系数据模型。但实际应用中存在不足，表现在以下几方面。,(1)以记录作为数据模型的基本结构，不能很好地面向对象(2)不能以自然方式表示客体之间的联系客体联系被掩盖在记录、属性之中。主干道和支道相联。(3)数据语义贫乏数据语义是指数据本身具有的表达数据属性及其关系的能力。各属性之间关系（从属关系、性质、成分）通过文字来叙述。城市人口、男性、女性。关系：城市人口=男性+女性,（4）数据类型少，难以满足用户需要整数、实数、字符型和日期型等。缺拓扑数据。,2.2语义数据模型,语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述空间实体的基本语义特征，再根据语义模型结构规则把这些抽象结合起来形成模型。模型形成空间实体类别以及这些类别之间的关联。,最常用语义模型是实体-联系模型（Entity-Relationshipmodel,E-R模型）。E-R模型的3个语义概念：实体、联系和属性,实体：对客观存在的起独立作用的事物的一种抽象。用矩形符号表示。包括：点(point)线（polyline）面（polygon）体（polyhedra）,联系：实体间有意义的相互作用或对应关系。用菱形符号表示。包括：1:1、1:N、M:N三种类型。实体和联系之间用线段连接。,属性：对实体和联系特征的描述。属性用椭圆表示。属性和实体、联系之间也用线段连接。,E-R模型的优点：接近人的思想，易于理解。同时，与计算机具体的实现无关，是一种很好的数据库概念设计方法。由于E-R模型与计算机无关，所以没有一个数据库系统直接支持E-R模型的实现。所以，一般用E-R模型设计数据库的概念模型。然后，在逻辑设计阶段，把E-R模型转换成计算机能够实现的数据模型，如关系数据模型。,2.3面向对象的数据模型,起源于面向对象的程序设计。对象：对现实世界中一个事物的抽象或模型化表达。对象具有封装性、继承性、多态性等特性。对象具有一个唯一的名称标识，并把自身的状态和内在功能封装在一起。在空间数据库中，任何一个空间实体都可用对象的形式加以表达，如行政区域-多边形，河流-弧段。类：多个对象共同特征的抽象概括。实例：某类的一个具体对象。消息：对象之间相互请求或相互协作的唯一途经。方法：对象收到消息后应采取的动作系列的描述。,面向对象的数据模型的优点：1具有表示和构造复杂对象的能力。无论怎样复杂的事物都可模型化为一个对象。这样表示自然，易理解。2封装性和信息隐蔽技术提供了模块化机制将每个对象的数据集和操作集封装起来，对外部只提供一个抽象接口，看不到实际的细节，从而使对象内部的修改并不影响用户对对象的使用。3.继承性提供了重用机制子对象可以继承其父类的全部属性和操作方法，称继承性。继承性提供了代码共享手段，有助于软件重用的实现。,3空间数据库逻辑模型设计,逻辑模型设计的目的是把概念模型转为数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构。如把E-R模型转换为关系模型，转换规则：一个实体类型转换成一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的关键字就是关系的关键字。教师（姓名、学历）一个联系类型转换成一个关系模式，参与该联系的各实体的关键字以及联系的属性转换成关系的属性。教师课程班级,E-R模型,E-R概念模型转换成关系模型：,1)院长（实体）,2)学院-院长（联系）,3）教师-学院（联系）,4）课表-教师（联系）,5）学生（实体）,6）学生-课程（联系）,4空间数据库的物理设计,空间数据库的物理设计是从一个满足用户信息需求的、已确定的逻辑数据结构（即逻辑模型）出发，研制出一个有效的、可实现的物理数据库结构（存储结构或物理模型）的过程。物理设计包括：结构设计：把数据库逻辑设计的模型映射为关系数据库的物理结构，如关系数据库物理模型；约束设计：根据逻辑设计提供的对数据库的约束条件，设计建立数据库完整性措施；应用设计：查询设计、人机界面设计、输入/输出格式设计、代码设计、处理设计。,5空间数据查询,空间数据库查询就是根据用户的要求，从数据库中找出符合用户需求的空间数据子集。空间数据查询功能分为三类：空间关系查询：对空间实体间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询，点、线、面实体相互关系查询；ArcView属性数据查询：针对非空间的信息查询。利用SQL（StructuredQueryLanguage,结构化查询语言）在属性数据中找出满足条件的空间实体；MapInfo空间属性联合查询：查询条件中既包括查询空间关系，又包含查询属性信息的要求，就是空间属性的联合查询。MapInfo,点、线、面实体相互关系的9种查询：5.1点-点查询查询某点实体给定距离范围内的其他点实体。如200km。步骤：(1)激活点图层，选择一个点,(2)SQL查询（200km以内的其他点）,5.2线-点查询查询距离某线实体一定距离范围内的点实体。如200km。步骤：(1)激活线图层，选择一条线,(2)SQL查询激活点图层，输入查询条件,5.3面-点查询查询某面实体范围内的点实体。步骤：(1)激活面图层，统一颜色，选择一个面,(2)SQL查询激活点图层，输入查询条件,5.4点-线查询查询某点实体一定范围内的线实体。步骤：(1)激活点图层，选择一个点,(2)SQL查询激活线图层，输入查询条件,5.5线-线查询查询与某个线实体相连的其他线实体。步骤：(1)激活线图层，选择一条线,(2)SQL查询输入查询条件,5.6面-线查询查询经过某个面实体的线实体。步骤：(1)激活面图层，选择一个面,(2)SQL查询激活线图层，输入查询条件,5.7点-面查询查询某个点实体被包含在哪个面实体内部。步骤：(1)激活点图层，选择一个点,(2)SQL查询激活面图层，输入查询条件,5.8线-面查询查询某线实体经过的面实体。步骤：(1)激活线图层，选择一条线,(2)SQL查询激活面图层，输入查询条件,5.9面-面查询查询与某面实体相邻的其他面实体。步骤：(1)激活面图层，选择一个面,(2)SQL查询输入查询条件,6空间元数据,元数据（metadata）是“关于数据的数据”，它反映某数据自身的一些特征。如：遥感数据的元数据卫星:SPOT5，接收日期：09/03/1602:40:34，象元大小2.5m，景中心坐标：30.243129N，