3S技术概论：第4章 空间数据库

1、第四章 空间数据库空间数据库主要内容4.1 数据库相关概念4.2 空间数据库的概念4.3 空间数据库模型4.4 空间数据库的设计4.5 空间数据库的建立与维护 4.1 数据库相关概念4.1.1 数据库4.1.2 数据模型数据库最终用户应用系统应用开发工具DBMS操作系统数据库管理员应用程序员4.1.1 数据库数据模型（一）数据库管理系统4.1.2 数据模型（二）数据模型的分类 概念模型 概念模型主要用于数据库的设计。 逻辑模型 逻辑模型主要用于DBMS的实现。 物理模型 物理模型主要用于计算机存储实现。现实世界信息世界机器世界认识 、抽象概念模型逻辑模型物理模型（三）数据模型概述数据库结构的基

2、础就是数据模型。建立数据模型的目的要求：真实地模拟现实世界；易为人理解；便于在计算机上实现。因此，不同的应用目的要采用不同的数据模型，这就形成很多类型的数据模型。4.2 空间数据库的概念4.2.1 空间数据库4.2.2 空间数据库管理系统4.2.3 空间数据库应用系统 4.2.1 空间数据库空间数据库是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用相关的地理空间数据的总合。（一）空间数据库的特点数据量特别大；数据种类多，复杂；数据应用面相当广。 在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决通用数据库不能解决的问题。（二）数据库的

3、主要特征（1）数据集中控制相对于文件管理方法，更适于将数据按照统一的方法来控制、维护和管理，以保证不同用户和应用可以共享数据。是一个“集成”的过程，需要合理设计数据库的内容和结构。（2）数据冗余度小冗余是指数据的重复存储。相对于文件方式，数据库中数据冗余较小，一方面减少了存储空间，另一方面不易出现数据不一致。设计数据库中的一个主要任务就是识别、减少或消除冗余数据，同时保证数据库内容的一致性。（3）数据独立性数据独立是指数据库中的数据与应用程序相互独立。数据独立分为两级：物理级和逻辑级。物理独立是指数据的物理结构变化不影响数据的逻辑结构；逻辑独立意味着数据库的逻辑结构的改变不影响应用程序。但是，

4、逻辑结构的改变必然影响到数据的物理结构。（4）复杂的数据模型采用数据模型是数据库方法与文件方式的一个本质差别。复杂的数据模型是实现数据集中控制、减少数据冗余的前提和保证。数据库常用的数据模型有三种：层次模型，网络模型和关系模型。（5）数据保护特征数据保护对数据库来说是至关重要的。数据保护主要包括四个方面的内容：安全性控制、完整性控制、并发控制、故障的发现和恢复。（三）数据库的系统结构数据库的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和用户级。（1）物理级数据库最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集合（物理数据库）。它是由物理模式（也称内部模式）描述的。（2）概念级数据库的逻辑表示，包括每个数

5、据的逻辑定义以及数据间的逻辑联系。它是由概念模式定义的。（3）用户级用户所使用的数据库，是一个或几个特定用户所使用的数据集合（外部模型），由外部模式定义。（四）数据组织方式数据是现实世界中信息的裁体，是信息的具体表达形式。为了表达有意义的信息内容，数据必须按照一定的方式进行组织和存储。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。 数据项可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。数据项与现实世界实体的属性相对应，数据项有一定的取值范围，称为域。如月份的数据项的域是112，13就是无意义的值。每个数据项都有一个名称，称为数据项目。数据项的值可以是数值的、字母的、汉字的等

6、形式。数据项的物理特点在于它具有确定的物理长度，一般用字节数表示。几个数据项可以组合，构成组合数据项（如日期）。记录由若干相关联的数据项组成。记录是应用程序输入输出的逻辑单位。对大多数据库系统，记录是处理和存储信息的基本单位。记录有“型”和“值”的区别。“型”是同类记录的框架，它定义记录，“值”是记录反映实体的内容。为了唯一标识每个记录，就必须有记录标识符，也叫关键字。文件文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。文件用文件名称标识。文件根据记录的组织方式和存取方法可以分为：顺序文件、索引文件、随机文件和倒排文件等。数据库数据库是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

7、类型的记录的集合。数据库的内部构造是具有联系的文件的集合。（五）数据间的逻辑联系 数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系，即现实世界中实体间的联系。数据之间的逻辑联系主要有三种：一对一的联系 简记为1：1，指在集合A中存在一个元素ai，则在集合B中就有一个且仅有一个bj与之联系。一对多的联系简记为1：N，在集合A中存在一个ai，则在集合B中存在一个子集B(bj1， bj2bjn)与之联系。A BAB多对多的联系简记为M：N，在集合A中存在一个ai，则在集合B中存在一个子集B(bj1， bj2bjn)与之联系，反之对于B集合中的一个元素Bj在集合A中就有一个集合A(ai1,ai2,ai3a

8、in)与之相联系。 4.2.2 空间数据库管理系统定义是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义；提供必须的空间数据查询、检索和存取功能；能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。一般由专业GIS软件提供。4.2.3 空间数据库应用系统提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是应用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件。一般需要进行二次开发。4.3 空间数据库模型4.3.1 传统数据模型4.3.2 面向对象模型4.3.3 GIS空间数据库类型数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是

9、空间数据库建立的逻辑模型。4.3.1 传统数据模型层次模型、网状模型、关系模型（一）层次模型层次模型是数据处理中发展较早、技木上也比较成熟的一种数据模型。它的特点是将数据组织成有向有序的树结构。结构中结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系（限定为一对多的关系）。123456abcdefgIIIM优点模型反映实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解，在一定程度上支持数据的重构。缺点很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，

10、插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除；层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径；基本不具备演绎功能和操作代数基础。（二）网状模型网络数据模型是数据模型的另一种重要结构，反映着显示世界中实体间更为复杂的联系，其基本特征是，结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系。123456abcdefgIIIM123456abcdefgabcdefgIII优点网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。缺点由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定

11、位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题；不直接支持对于层次结构的表达；基本不具备演绎功能和操作代数基础。（三）关系模型层次与网络模型中，实体间的联系主要是通过指针来实现的。关系模型是根据数学概念建立的，它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式。实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，这种表就称为关系。一个实体由若干个关系组成，而关系表的集合就构成为关系模型。关系模型中用关系代数和关系运算来操纵数据。二维表的表头，即表格的格式是关系内容的框架，关系由许多同类的实体所组成，每个实体对应于表中的一行，叫做一个元

12、组。表中的每一列表示同一属性，叫做域。 123456abcdefgIIIM在GIS分析中，常常需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据，要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。 找离火车站最近的汽车站？对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为：无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱；用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较

13、大的联接操作，运行效率不够高；空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系；RDBMS难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作；DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能；RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息；GIS管理的是具有高度内部联系的数据，为了保证地理数据库的完整性，需要复杂的安全维护系统，完整性约束条件必须与空间数据一起存储，由地理数据库来维护系统数据的完整性。 4.3.2 面向对象模型

14、（一）基本概念 （1）对象（ object ）一个对象就是一个具有名称标识并有自身的状态与功能的实体。所有的概念实体都可以模型化为对象。对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的。GIS中的地理对象则可定义为：描述一个实体的空间和属性数据以及定义一系列对实体有意义的操作函数的统一体。在面向对象的系统中，对象作为一个独立的实体，一经定义就带有一个唯一的标识号。如：一个结点、一条弧段、一条河流、一个省、一个人如：一个学生有性别、年龄、身高、体重等，还有其他的情况如所干工作、所学专业、爱好等。具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；具有一组描述特征的属性，以表明其在某一

15、时刻的状态静态属性数据；具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态作用、功能函数、方法。地理对象属性数据行为方法（2）类共享同一属性和方法集的所有对象的集合 。如：河流均具有共同的属性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法：查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。（3）实例被抽象的对象，类的一个具体对象，称为实例，如长江、黄河等。类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。（4）消息对象之间的请求和协作，称为消息 ，即对象之间的关系， 不独立存在。如鼠标点某按纽，就是对按纽提出请求。消息还分公有消息（可由其它对象向它发送）和私有消息（由自己

16、向本身发送）。（二）面向对象的特性（1）抽象是对现实世界的简明表示，对象是抽象思维的结果 。（2）封装指把对象的状态及其操作集成化，使之不受外界影响。现实世界对象1对象n对象2抽象对象通过封装后，其它对象只能从公有消息中提供的功能进行请求服务，对这个对象内部的情况不必了解。封装技术提高了面向对象方法开发软件的可重用性，提高了复杂软件的开发效率、质量和可靠性，更加易于维护。（3）多态是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。（三）四种核心技术（1）分类分类是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。如：城镇建筑可分为行政区、商业区、住宅区、文化区等若干个类。（2

17、）概括将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。例如，建筑物是饭店的超类，因为饭店也是建筑物。子类还可以进一步分类，如饭店类可以进一步分为小餐馆、普通旅社、涉外宾馆、招待所等类型。（3）聚集聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。聚集的每一个操作是由每个部分产生的不同操作所组成的。例如：房子从某种意义上说是一个复合关系，它是由墙、门、窗和房顶组成的。（4）联合相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合。例如：一个县是由若干个乡镇联合而成。（四）面向对象数据模型的核心工具 （1）继承一类对象可继承另一

18、类对象的特性和能力，子类继承父类的共性。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。单重继承、多重继承；全部继承、部分继承；取代继承、包含继承。状态继承公有域：类可操作，实例也可操作。私有域：只有类本身使用，用户不得访问。保护域：子类可使用，继承使用，实例不能使用。父类子类数据函数实例公有域私有域保护域：功能的继承子类继承父类的功能，但子类的功能要发生一些变化，功能函数重新定义。功能重载，功能函数名相同，但参数不一样。调用功能时，函数名及其参数共同决定，具体的功能，有了功能重载，对象就体现出多态性。 如：鼠标，在不同按钮按，其功能不一样。如：教务管理系统的“成绩查询”功能，老师身份与学生身份

19、登陆，实现的功能有所区别。（2）传播传播是指复杂对象的某些属性值不单独存于数据库中，而由子对象派生或提取，将子（成员）对象的属性信息强制地传播给综合复杂对象。如：武汉市总人口为各区（各成员对象）人口总和。如：一个多边形的位置坐标数据，并不直接存于多边形文件中，而是存于弧段和结点的文件中，多边形文件仅提供一种组合对象的功能和机制，借助于传播的工具可以得到多边形的位置信息。可以保证数据库的一致性，独立的属性值仅存贮一次，不会因数据库的更新而破坏它的一致性。（3）继承与传播（区别）继承服务于概括，传播作用于联合和聚集；继承是从上层到下层，应用于类，而传播是自下而上，直接作用于对象；继承包括属性和操作

20、，而传播一般仅涉及属性；继承是一种信息隐含机制，只要说明子类与父类的关系，则父类的特征一般能自动传给它的子类，而传播是一种强制性工具，需要在复合对象中显式定义它的每个成员对象，并说明它需要传播哪些属性值。 （五）面向对象数据模型的含义为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。具体实现就是面向对象的数据结构。最适合于空间数据的表达和管理，不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。该模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵。（1）复杂对象及特点指具有复杂结构和操作的对象。

21、复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象构成，或具有复杂的嵌套关系等。复杂对象的特点可归结为：一个复杂对象由多个成员对象构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成；具有多种数据结构，如矢量、栅格、关系表等；一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持。（2）面向对象的几何数据模型 从几何方面划分，GIS的各种地物对象为点、线、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物。面状地物由边界弧段和中间面域组成，弧段又涉及到节点和中间点坐标。空间地物复杂地物简单地物面域弧段节点面状地物线状地物点状地物（3）面向对象的拓扑关系解决了数据共享问题，又建立了弧段与节点的拓扑关系。面标识弧段标识弧段标识

22、起节点终节点中间点串节点标识XYZ面域文件弧段文件节点文件拓扑关系与数据共享（4）面向对象的属性数据模型RDBMS的功能基础上，增加面向对象数据模型的封装、继承和信息传播等功能。耕地GIS城镇农村居民点工矿地建筑物操作：查询、插入、删除属性：标识码；区号；街道号；建筑日期等控制点电力设施公园 街道职员库操作属性职员编号工资姓名饭店设施库房间床位操作属性医院学校 居民住宅饭店工厂商店银行邮局园地林地牧草地居民地交通用地水域未用地（5）面向对象地理数据模型的特点优点可充分利用现有数据模型的优点。对不同类型的对象具有统一的管理机制。支持变长记录，支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。可以模拟和操纵复杂对

23、象。面向对象数据库管理系统允许定义合适的数据结构和数据操作。具有可扩充性，易增加新的对象。缺点不支持SQL语言，在通用性上受局限。面向对象型空间数据库管理系统还不成熟，价格又昂贵，目前在GIS领域还不通用。4.3.3 GIS空间数据库类型（一）从数据管理的角度看GIS中数据的特点非结构化特征，如描述线状地物的长度不等；数据要嵌套；一个对象可能包含多个对象等。数据类型和关系复杂，常要记录拓扑关系；数据量大，要作查询，因此必需注意提高查询效率，如建立索引等；（二）关系模型描述空间数据存在的问题缺乏构造复杂对象的能力以记录为单位的数据模型不能很好的面向用户，不能描述嵌套和递归等复杂关系。 数据类型少

24、，不支持抽象数据类型如不能定义几何数据类型（点，线，面）和空间操作算子（相交，包含等），无法完成地理意义上的分析查询；缺乏语义表达能力，即语义贫乏 它表达实体和实体间关系只能在表内，或通过公共值的跨表连接，实现效率低，不利于建立数据的概念模型。表形式不适用表示图形数据图形数据涉及的坐标、属性、拓朴关系用表格表示使问题显得复杂化。空间数据管理系统的模式的类型（一）基于文件管理的方式将属性数据和空间数据均放在文件系统中进行管理。空间、属性数据文件1GIS应用1空间、属性数据文件2GIS应用2空间、属性数据文件3优点： 可根据自己要求定义文件格式，管理数据； 有利于存储非结构化不定长数据。缺点： 具

25、有文件系统的缺点。程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。 不利于数据查找，如系统开发者要编写程序实现数据的更新、查询； 数据共享性等差。以文件形式共享，多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。（二）文件与关系数据库混合管理系统文件和关系数据库混合系统是传统GIS所用的方式。如ArcInfo，MapInfo等。系统中，图形用数据文件存储，属性用关系数据库表存储，两者通过标识符相联结。这种方式实际上不能建立真正意义上的空间数据库。（1）图形与属性结合的各自分开处理模式图形用户界面和属性用户界面分开，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，

26、甚至两个系统来回切换，不方便。GIS应用软件Arc/Info 图形用户界面ArcEdit属性用户界面Tables图形数据文件库属性数据库图形处理系统数据库管理系统ID（2）图形与属性结合的混合处理模式用户界面C语言C或ODBC图形处理系统数据库管理系统图形数据文件库属性数据库 GIS通过DBMS提供的高级编程语言C或Fortran等接口，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在用户界面下显示查询结果。（3）文件和关系数据库混合系统的优缺点优点: 通过DBMS提供的高级编程语言接口，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。通过GIS与ODBC（Open DataBa

27、se Connectivity，开放式数据库互连）的接口，用户可在一个界面下处理图形和属性数据缺点: 属性数据和图形数据通过ID联系起来，从而使查询运算、模型操作运算速度相对慢； 数据分布和共享困难； 属性数据和图形数据分开存储，缺少数据库保护（安全性、完整性、并发控制、故障恢复等）的基本功能。 缺乏表示空间对象及其关系的能力。（三）全关系型数据库系统管理GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。（1）两种模式基于关系模型的方式，将图形数据按关系数据模型组织。将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段（多媒体或变长文本）。GIS应用扩展DBMS以容纳空间

28、数据商用DBMS空间和属性数据库 基于关系模型组织图形数据要找出组成多边形的采样点坐标，涉及多个关系表，作多次连接投影运算。12345678910P1P2abcdefgh多边形编号边号边长P1aP1bP1cP1d边号起结点号终结点号a17b21结点号xy1.2 即将图形文件转成关系存放在目前大部分关系型数据库提供的二进制块中。空间数据访问接口用户界面数据库访问接口空间数据库GISRDBMS（2）全关系型数据库系统管理的优缺点优点: 省去大量关系连接操作，可提高查询速度； 便于数据的维护；缺点: 不定长记录造成存储效率的下降； 实现SQL查询要附加接口；因此它只适用于功能简单的GIS。（四）对象

29、关系型数据库系统（Extended Model）通用关系数据库管理系统效率低；面向对象型空间数据库管理系统又不够成熟；随着空间信息系统的发展，对关系数据库进行扩充，使之能直接存储非结构化的空间数据，形成对象关系型数据库GIS系统。对象关系数据库系统有ORACLE 8.0、INFORMIX 9.0等。对象关系型空间数据库是在标准的RDBMS上加了一层空间数据管理专用模块。如Oracle在其数据库中加入了Spatial Ware组件，以支持空间数据；Informix为用户定义数据类型，提供了Data Blade插件。定义了操作点、线、面等空间对象的函数，解决了空间数据的变长记录管理。空间和属性数据

30、库GIS应用空间数据管理的专用模块 商用DBMS优点直接存储和管理非结构化的空间数据，解决了空间数据的变长记录管理，使数据管理效率提高； 空间和属性之间联结有空间数据管理模块解决，该模块能将地理结构查询语言转化成标准的SQL查询，空间数据查询速度快。缺点没有解决对象的嵌套问题；空间数据对象还不能有用户任意定义。如：定义的空间函数支持的对象不带拓扑关系，用户不能定义带拓扑关系的数据模型。（五）面向对象空间数据库管理系统面向对象型空间数据库管理系统最适合空间数据的表达和管理。数据库管理系统面向对象的系统永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改类/类型

31、、封装性/数据抽象、继承性、多态性/滞后联编、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性 面向对象数据库系统面向对象数据库系统的优势缩小了语义差距减轻了“阻抗失配”问题 适应非传统应用的需要 4.4 空间数据库的设计4.4.1 需求分析4.4.2 结构设计4.4.3 数据层设计4.4.4 数据字典设计空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。现实世界地理实体需求分析结构设计数据层设计数据字典设计（一）需求分析需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，主要进行以下工作：调查用户需求需求数据的收集和分析编制用户需求说明书完成数据源的选择和对各种数据集的评价（二）结构设

32、计指空间数据结构设计，得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。现实世界地理实体需求分析概念模型逻辑模型物理模型结构设计（1）概念模型是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。表示概念模型最有力的工具是ER模型，即实体联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。市区要素空间实体空间实体属性空间实体关系E-R模型街道边线组成走向路面质量所属路段所属街道 长度 ml（2）逻辑模型逻辑模型的设计，是将概念模型结构转换为具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构（外模式）。包括确定数据项、