GIS空间数据库

1、一、数据与数据库一、数据与数据库1. 1. 数据：描述事物的符号记录，是数据库中存储的基本数据：描述事物的符号记录，是数据库中存储的基本对象。对象。2. 2. 数据库：数据库数据库：数据库(Data Base)(Data Base)：是以一定的组织方式：是以一定的组织方式存储在一起的相互关联的数据集合。存储在一起的相互关联的数据集合。数据库系统包括数据库、数据库管理系统和数据库应用数据库系统包括数据库、数据库管理系统和数据库应用系统三个组成部分。系统三个组成部分。计算机对数据的管理经过了三个阶段计算机对数据的管理经过了三个阶段 ：程序管理阶段程序管理阶段 、文件管理阶段、文件管理阶段 、数据库

2、管理阶段、数据库管理阶段3 传统数据库与空间数据库的比较传统数据库传统数据库空间数据库空间数据库数据连续性数据连续性/ /相关性相关性不连续不连续 相关性小相关性小连续连续 较强空间相关性较强空间相关性实体类型实体类型/ /空间关系空间关系少少 简单固定简单固定多多 复杂且不固定复杂且不固定记录长度记录长度结构化结构化 等长等长非结构化非结构化 不等长不等长查询与操作查询与操作文字、数字文字、数字文字数字文字数字 空间图形空间图形空间数据库概念是GIS中存储的与应用相关的地理空间数据的总和。（是GIS基本且重要的组成部分）数据库数据库系统数据库系统空间数据库管理系统的实现空间数据库管理系统的实

3、现（1 1）常规）常规DBMSDBMS进行扩展，使有空间数据存进行扩展，使有空间数据存储、管理功能；（储、管理功能；（OracleOracle）（2 2）常规）常规DBMSDBMS基础上加一层空间数据库引基础上加一层空间数据库引擎。（擎。（ESRIESRI的的SDESDE（Spatial Database Spatial Database EngineEngine）GISGIS数据库的数据库的特点特点（与其它数据库相比）（与其它数据库相比） 不仅属性数据，还有大量的空间数据不仅属性数据，还有大量的空间数据数据量大，即使是一个极小的区域数据量大，即使是一个极小的区域 数据的应用相当广，如地理研究

4、、环境数据的应用相当广，如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、态环境、市政管理、 道路建设等等。道路建设等等。 数据库管理系统：提供数据库建立、使数据库管理系统：提供数据库建立、使用和管理的软件系统。用和管理的软件系统。数据库应用系统：为满足特定用户数据数据库应用系统：为满足特定用户数据处理要求而建立起来的，具有数据库访处理要求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，提供给用户一个访问功能的应用软件，提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。问和操作特定数据库的用户界面。现行空间数据库管理方案0基于文件与关系式数据库的空间

5、数据基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案混合管理方案 0基于关系式数据库的空间数据管理方基于关系式数据库的空间数据管理方案案 0基于对象基于对象关系式数据库的空间数据关系式数据库的空间数据管理方案。管理方案。文件 关系数据库混合管理方案q 属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效； q 几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。 q 空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。 q GIS软件：Arc/Info，MGE，GenMap等几 何 数 据属 性 数 据ID数 据 文 件数 据 库早 期图形

6、用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形 文件库属性 数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形 文件库属性 数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形 文件库属性 数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发全关系式数据库管理方案q 属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理 q 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快 q 属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作 q GIS软件：System9，Small World、Geovision等GIS界面属性数据 （定长记录）空间数据 （变长记录）DBMS空间 数据库

7、关系表二进制块对象关系数据库管理方案q 对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型 q 解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高 用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储，没有解决数据的嵌套纪录问题 q GIS软件：TIGER，Geo+、Geo Tropics等GIS界面空间数据处理DBMS空间 数据库扩充实体类型 （点、线、面、圆等）GIS空间数据组织研究区域研究区域GIS工程并发控制空间索引工作区1工作区2工作区n工作层地物类逻辑层Arc/InfoMGE GeoStar属性数据Arc/InfoMGE GeoStar一、数据的管理模

8、式：一、数据的管理模式：人工阶段（人工阶段（5050年代中期以前）、年代中期以前）、文件系统阶段（文件系统阶段（5050年代后期到年代后期到6060年代中期）年代中期）数据库系统阶段（数据库系统阶段（6060年代后期始）年代后期始）二、空间数据库的设计二、空间数据库的设计空间数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用数据空间数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。抽象成一个数据库的具体结构的过程。实质：如何将地理实体以一定组织形式在数据库中表达。即空间实质：如何将地理实体以一定组织形式在数据库中表达。即空间实体数据的实体数据的模型化模型化问题

9、。问题。1. 地理信息系统空间数据库模型建立过程地理现象和过程概念模型逻辑模型存储模型对地理现象和过程的抽象抽象客观世界（认识、抽象）客观世界（认识、抽象） 概念模型概念模型概念模型（选定数据模型、概念模型（选定数据模型、DBMSDBMS） 逻辑模型逻辑模型逻辑模型（确定数据组织方式）逻辑模型（确定数据组织方式） 存储模型存储模型2. 2. 概念模型（空间特征，关系描述）概念模型（空间特征，关系描述）（1 1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型；）空间特征：点、线、面、体四种基本类型；（2 2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系：）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： 空间联系：空间位置

10、、分布、关系、运动等；空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库；时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相关关系。关关系。3. 3. 空间数据库的数据模型设计空间数据库的数据模型设计空间数据模型：对空间客体进行描述和表达的数学手段，空间数据模型：对空间客体进行描述和表达的数学手段，使之能反应客观实体及其关系。使之能反应客观实体及其关系。常用数据模型：层次模型；网状模型；关系模型；语义模常用数据模型：层次模型；网状模型；关系模型；语义模型；面向对象模型。

11、型；面向对象模型。4. 4. 空间数据库的设计原则空间数据库的设计原则尽量减小存储冗余尽量减小存储冗余可变的数据结构可变的数据结构对数据及时访问对数据及时访问, ,高效查询高效查询能维持空间数据的复杂联系能维持空间数据的复杂联系支持多种决策的需要，适应性强支持多种决策的需要，适应性强4. 4. 空间数据库的设计内容空间数据库的设计内容三个方面：数据结构、数据操作和完整性约三个方面：数据结构、数据操作和完整性约束，具体为：束，具体为：1 1）静态特性设计结构特性）静态特性设计结构特性2 2）动态特性设计数据库的行为特性）动态特性设计数据库的行为特性3 3）物理设计）物理设计5. 5. 空间数据库

12、的设计步骤空间数据库的设计步骤需求分析概念设计逻辑设计物理设计数据库数据库的概念模型数据库的逻辑模型数据库的存储模型现实世界概念世界信息世界（1 1）需求分析）需求分析（2 2）概念设计）概念设计 建立数据库的概念模型建立数据库的概念模型（3 3）逻辑设计）逻辑设计 把概念模型映射为数据库管理系统所支持的数据模型把概念模型映射为数据库管理系统所支持的数据模型（4 4）物理设计）物理设计 将数据库的逻辑模型在存储设备上实现将数据库的逻辑模型在存储设备上实现三、空间数据库的实现与维护三、空间数据库的实现与维护1. 1. 空间数据库的实现空间数据库的实现（1 1）建立实际的空间数据库结构；）建立实际

13、的空间数据库结构；（2 2）装入试验性数据测试应用程序；）装入试验性数据测试应用程序；（3 3）装入实际空间数据，运行。）装入实际空间数据，运行。2.2.空间数据库的运行与维护空间数据库的运行与维护（1 1）维护安全性与完整性；）维护安全性与完整性；（2 2）监测并改善数据库性能；）监测并改善数据库性能；（3 3）增加新的功能；）增加新的功能；（4 4）修改错误。）修改错误。一、数据模型数据库的核心问题一、数据模型数据库的核心问题1. 1. 数据模型：数据模型：是表达现实世界的规格化说明，在数据库中用形式化的方法描述数据的逻辑结构和操作。数据模型三要素：数据模型三要素： 数据结构数据结构 数据

14、操作数据操作 数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。记录、文件和数据库。1 1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。素、基本项、字段等。 2 2、记录：由若干相关联的数据项组成。、记录：由若干相关联的数据项组成。 文件：文件是一给定类型的文件：文件是一给定类型的( (逻辑逻辑) )记录的全部具体记录的全部具体值的集合。值的集合。 4 4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具

15、有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。系，不能孤立存在。 2. 2. 空间数据模型：就是对空间实体及其联系进行描空间数据模型：就是对空间实体及其联系进行描述和表达的数学手段，使之能反映实体的某些结构述和表达的数学手段，使之能反映实体的某些结构特性和行为功能。特性和行为功能。 空间数据模型是衡量空间数据模型是衡量GISGIS功能强弱与优劣的主要因功能强弱与优劣的主要因素

16、之一。素之一。3. 3. 数据模型类型：数据模型类型：基本上可以分为两类：基本上可以分为两类： 传统数据模型：如层次、网状和关系数据模型传统数据模型：如层次、网状和关系数据模型 新型数据模型：如语义数据模型，面向对象数据模新型数据模型：如语义数据模型，面向对象数据模 型和时空数据模型型和时空数据模型数据间的逻辑联系主要是数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联指记录与记录之间的联系。系。 1 1、一对一的联系、一对一的联系(1(1：1) 1) 2 2、一对多的联系、一对多的联系(1(1：N) N) 3 3、多对多的联系、多对多的联系(M(M：N)N) A BABA BABA BAB数据模型是

17、数据库系统中关于数据和联数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。联系的方式。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。系模型。 层次数据库模型层次数据库模型它的特点是将数据它的特点是将数据组织成一对多关组织成一对多关系的结构。系的结构。层次结构采用关键层次结构采用关键字来访问

18、其中每字来访问其中每一层次的每一部一层次的每一部分。分。层次数据库结构特层次数据库结构特别适用于文献目别适用于文献目录、土壤分类、录、土壤分类、部门机构等分级部门机构等分级数据的组织。数据的组织。 123456abcdefgMMabcdefg1223344134355664c层次数据库模型优点：优点：0存取方便且速度快存取方便且速度快0结构清晰，容易理解结构清晰，容易理解0数据修改和数据库扩展容易实现数据修改和数据库扩展容易实现0检索关键属性十分方便检索关键属性十分方便缺陷：缺陷：0结构呆板，缺乏灵活性结构呆板，缺乏灵活性0同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共同一属性数据要存储多次，数据

19、冗余大（如公共边）边）0不适合于拓扑空间数据的组织不适合于拓扑空间数据的组织2. 2. 网状数据模型网状数据模型1 1）概念：将数据组织成有向图结构（系结构），图中的结点）概念：将数据组织成有向图结构（系结构），图中的结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。2 2）特点：允许有一个结点无双亲；一个结点可以有多于一个）特点：允许有一个结点无双亲；一个结点可以有多于一个的双亲（多对多）。的双亲（多对多）。3 3）数据存取：导航法（从任一实体出发）数据存取：导航法（从任一实体出发）地图MAP及多边形实体I和IIMAP网状数据模型网络数据库模型网络数

20、据库模型3. 3. 关系数据模型关系数据模型1 1）概念：用表格数据表示实体和实体之间关系的数据模型，）概念：用表格数据表示实体和实体之间关系的数据模型，表为二维表，满足一定的条件。表为二维表，满足一定的条件。2 2）特点：数据结构单一，是一种二维表格结构。）特点：数据结构单一，是一种二维表格结构。地图MAP及多边形实体I和IIMAPIabcdIIcefga12b23c34d41e35f56c34g641x1y12x2y23x3y34x4y45x5y56x6y6III 关系数据库模型关系数据库模型优点：优点： 结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成

21、的查询要求算和数学运算规则形成的查询要求 能搜索、组合和比较不同类型的数据能搜索、组合和比较不同类型的数据 增加和删除数据非常方便增加和删除数据非常方便缺陷：缺陷： 数据库大时，查找满足特定关系的数数据库大时，查找满足特定关系的数据费时据费时 对空间关系无法满足对空间关系无法满足3 3）基本术语：）基本术语：属性：在二维表中的列（字段、数据项），列值即属性值。属性：在二维表中的列（字段、数据项），列值即属性值。关系模式：关系的描述。包括关系名、属性名、属性向域的映射等。关系模式：关系的描述。包括关系名、属性名、属性向域的映射等。元组：二维表中的行（记录的值）。元组：二维表中的行（记录的值）。关

22、系：元组的集合，即关系模式和关系。关系：元组的集合，即关系模式和关系。关键字：关系中能唯一标识元组的属性（或属性组合）。关键字：关系中能唯一标识元组的属性（或属性组合）。关系数据库：一系列关系的集合。关系数据库：一系列关系的集合。关系完整性：指关系的正确性、相容性和有效性。关系完整性：指关系的正确性、相容性和有效性。学号姓名性别年龄系号毕业学校9301011张三男1801中大附中9301012李四女1702六十六中学生登记表关系名属性关系模式元组关系关键字三种传统数据模型的比较三种传统数据模型的比较第四节第四节 空间数据库概念模型设计空间数据库概念模型设计语义模型和面向对象模型语义模型和面向对

23、象模型传统数据模型的弱点：传统数据模型的弱点：（1 1）以记录为基础的结构不能很好面向用户）以记录为基础的结构不能很好面向用户传统模型记录；现实世界事务、实体。有时不对应。传统模型记录；现实世界事务、实体。有时不对应。（2 2）不能以自然的方式表示实体间的联系）不能以自然的方式表示实体间的联系 层次、网状显式地描述关系，但不自然；关系模型联系层次、网状显式地描述关系，但不自然；关系模型联系隐含，必须检索全部记录才能确定。隐含，必须检索全部记录才能确定。（3 3）语义贫乏）语义贫乏 用单一结构描述描述用单一结构描述描述“交互交互”、“从属从属”、“构成构成”等等众多联系，语义上无法区别。众多联系

24、，语义上无法区别。（4 4）数据类型太少数据类型太少 只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。一、语义数据模型一、语义数据模型 实体联系模型（实体联系模型（E E R R模型）模型） 提供三种语义概念：提供三种语义概念：（1 1）实体：）实体：客观存在的起独立作用的客体。客观存在的起独立作用的客体。 （2 2）联系：实体间的相互作用或对应关）联系：实体间的相互作用或对应关系系:1:1,1:N,M:N, :1:1,1:N,M:N, （3 3）属性：对实体和联系特征的描述。）属性：对实体和联系特征的描述。用用E-RE-R模型进行概念设计：

25、模型进行概念设计：（1 1）局部）局部E-RE-R模型模型（2 2）全局）全局E-RE-R模型模型（3 3）优化）优化E ER R模型的特点及作用模型的特点及作用（1 1）接近人的思维，易于理解，与计算机）接近人的思维，易于理解，与计算机的具体实现无关；的具体实现无关；（2 2）现有）现有DBMSDBMS不能直接支持不能直接支持E ER R模型模型（3 3）只用于概念模型设计。在逻辑设计时）只用于概念模型设计。在逻辑设计时再转化为计算机能接受的数据模型。再转化为计算机能接受的数据模型。二、面向对象模型二、面向对象模型1 1、基本思想、基本思想 按人们通常的思维方式，将各种实体抽象为各按人们通常

26、的思维方式，将各种实体抽象为各类类“对象对象”，并将数据和操作（方法）封装在一起。，并将数据和操作（方法）封装在一起。整个系统只由对象组成，对象之间通过整个系统只由对象组成，对象之间通过“消息消息”进行进行联系。使系统很容易重组和扩充。联系。使系统很容易重组和扩充。2 2、相关概念、相关概念 对象（对象（Object)Object)：实体的抽象（基本元素），封装了数：实体的抽象（基本元素），封装了数据和操作集的实体。据和操作集的实体。 消息（消息（MessageMessage）：请求）：请求对象执行某一操作或回答对象执行某一操作或回答某些信息的要求。某些信息的要求。 类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具体的关系。体的关系。3. 3. 对象的性质对象的性质 封装：封装：是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实际内容。际内容。 继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特征和功能。不必重复实现，减少代码。某些特征和功能。不必重复实现，减少代码。一、逻辑设计一、逻辑设计从概念模型导出特定的从概念模型导出特定的DBMSDBMS所支持的数据库的逻辑结构。所支持的数据库的逻辑结构。二、物理设计二、物理设计从逻辑模