地理信息系统 第五章 空间数据组织与管理

学习目标：掌握数据的层次单位了解数据间的逻辑关系了解常用的数据文件了解数据库的基本概念理解数据库模型理解数据库管理系统、数据安全和数据更新理解矢量数据和栅格数据的管理方式

重点：数据库模型的分类和特点难点：面向对象的数据库模型第五章空间数据组织与管理12/30/20221西北大学城市与资源学系第一节数据层次与文件组织数据层次（数据项、记录、文件、数据库）数据间的逻辑联系（一对一、一对多、多对多）用数据文件（顺序、直接、索引、到排文件）12/30/20222西北大学城市与资源学系文件记录数据项数据项组逻辑数据单位之间的关系物理单位:位(比特)、字节、字、块(物理记录)、桶和卷逻辑单位:数据项、数据项组、记录、文件和数据库一、数据的层次单位12/30/20223西北大学城市与资源学系数据项数据项组记录文件数据库最基本的不可分割的数据单位,具有独立的逻辑意义逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的基本单位给定类型逻辑记录的全部具体值的集合文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在12/30/20224西北大学城市与资源学系二、常用数据文件顺序文件随机文件索引文件倒排文件它是物理顺序与逻辑顺序一致的文件12/30/20225西北大学城市与资源学系顺序文件随机文件索引文件倒排文件文件中的贮存是根据记录关键字的值，通过某种转换方法得到一个物理存贮位置，然后把记录存贮在该位置上。二、常用数据文件12/30/20226西北大学城市与资源学系顺序文件随机文件索引文件倒排文件即带有索引的文件，它只能建立在随机存取介质上。二、常用数据文件12/30/20227西北大学城市与资源学系顺序文件随机文件索引文件倒排文件按照一些辅关键字来组织索引称为辅索引，带有这种辅索引的文件称为倒排文件。二、常用数据文件12/30/20228西北大学城市与资源学系第二节空间数据库数据存储数据库数据管理程序库(数据库软件)原始信息数据库12/30/20229西北大学城市与资源学系。。二、数据库分类事物管理数据库地理信息数据库存储信息特征12/30/202210西北大学城市与资源学系概念模型物理数据库外部模型A外部模型B用户A1用户A1用户B1用户B1数据库管理系统外部/概念映射A外部/概念映射B概念/内部部映射射数据库库的系系统结结构外部模式外部模式概念模式内模式12/23/202211西北北大大学学城城市市与与资资源源学学系系（1））用用户户级级用用户户使使用用的的数数据据库库对对应应于于外外部部模模式式，，它它是是用用户户与与数数据据库库的的接接口口，，也也就就是是用用户户能能够够看看到到的的那那部部分分数数据据库库，，它它是是数数据据库库的的一一个个子子集集。。（2））概概念念级级概概念念数数据据库库对对应应于于概概念念模模式式，，简简称称模模式式，，是是对对整整个个数数据据库库的的逻逻辑辑描描述述，，也也就就是是数数据据库库管管理理员员看看到到的的数数据据库库。。（3））物物理理级级物物理理数数据据库库对对应应于于内内模模式式，，又又称称为为存存贮贮模模式式，，内内模模式式描描述述的的是是数数据据在在存存贮贮介介质质上上的的物物理理配配置置与与组组织织，，是是存存放放数数据据的的实实体体，，也也是是系系统统程程序序员员才才能能看看到到的的数数据据库库。。12/23/202212西北大学城市市与资源学系系数据库管理系系统是处理数数据库存取和和各种管理控控制的软件，，应用程序对对数据库的操操作全部通过过DBMS进进行。数据库管理系系统12/23/202213西北大学城市市与资源学系系数据库管理系统

数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯提供书写各种种模式的语言言及其支撑软软件，并把各各种定义信息息也存贮于系系统之中。它它勾画出数据据库的框架。。12/23/202214西北大学城市市与资源学系系数据库管理系统

数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯应用数据装入入数据库a)键盘输入入；b)接受另一一个系统的数据文件12/23/202215西北大学城市市与资源学系系数据库管理系统

数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯运行控制数据存取、更更新数据完整性、、有效性数据公享12/23/202216西北大学城市市与资源学系系数据库管理系统

数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯重新定义数据重新组织织性能监督与分分析数据库整理故障恢复12/23/202217西北大学城市市与资源学系系数据库管理系统

数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯操作系统接口口处理各种语言接口口远程操做接口口处理12/23/202218西北大学学城市与与资源学学系DBMS组成语言处理理程序运行控制制程序建立与维维护程序序数据描述述语言（（DDL）数据操作作语言（（DML）终端命令令解译系统控制制数据存取取数据更新新并发控制制数据完整整性数据装入入性能监控控工作日志志重新组织织数据转储储系统恢复复SQL语语言：数据查询询DataQuery数据定义义DataDefinition数据操纵纵DataManipulation数据控制制DataControl12/23/202219西北北大大学学城城市市与与资资源源学学系系OSDBMS应用程序工作区系统缓冲区数据库应用程序的外部模型模式存储模式(1)(8)(7)(6)(3)(4)(5)(2)应用用程程序序对对数数据据库库的的访访问问12/23/202220西北北大大学学城城市市与与资资源源学学系系数据据组组织织层层次次数据据库库中中的的数数据据组组织织一一般般可可以以分分为为四四级级：：数据据项项、、记记录录、、文文件件和和数数据据库库。1数数据据项项：：是是可可以以定定义义数数据据的的最最小小单单位位，，也也叫叫元元素素、、基基本本项项、、字字段段等等。。2记记录录：：由由若若干干相相关关联联的的数数据据项项组组成成。。3文文件件：：文文件件是是一一给给定定类类型型的的(逻逻辑辑)记记录录的的全全部部具具体体值值的的集集合合。。4数据据库库：：是比比文文件件更更大大的的数数据据组组织织。。数数据据库库是是具具有有特特定定联联系系的的数数据据的的集集合合，，也也可可以以看看成成是是具具有有特特定定联联系系的的多多种种类类型型的的记记录录的的集集合合。。数数据据库库的的内内部部构构造造是是文文件件的的集集合合，，这这些些文文件件之之间间存存在在某某种种联联系系，，不不能能孤孤立立存存在在。。12/23/202221西北北大大学学城城市市与与资资源源学学系系数据据间间的的逻逻辑辑联联系系数据据间间的的逻逻辑辑联联系系主主要要是是指指记记录录与与记记录录之之间间的的联联系系。。1、一一对一一的联联系(1：：1)2、一一对多多的联联系(1：：N)3、多多对多多的联联系(M：：N)ABAB12/23/202222西北大大学城城市与与资源源学系系数据模模型数据模模型是数据据库系系统中中实体体与实实体之之间的的联系系方式式，是是衡量量数据据库能能力强强弱的的主要要形式式之一一。每一种种数据据模型型都以以不同同的数数据抽抽象与与表示示能力力来反反映客客观事事物，，有其其不同同的处处理数数据联联系的的方式式。数据库库领域域采用用的数数据模模型有有层次模模型、、网状状模型型和关关系模模型，，面向向对象象模型型。12/23/202223西北大大学城城市与与资源源学系系层次数数据库库模型型它的特点是是将数据组组织成一对对多关系的的结构。层次结构采采用关键字字来访问其其中每一层层次的每一一部分。层次数据库库结构特别别适用于文文献目录、、土壤分类类、部门机机构等分级级数据的组组织。12/23/202224西北大学城城市与资源源学系层次数据库库模型优点：存取方便且且速度快结构清晰，，容易理解解数据修改和和数据库扩扩展容易实实现检索关键属属性十分方方便缺陷：结构呆板，，缺乏灵活活性同一属性数数据要存储储多次，数数据冗余大大（如公共共边）不适合于拓拓扑空间数数据的组织织12/23/202225西北大学城城市与资源源学系网络数据模模型网络模型用用连接指令令或指针来来确定数据据间的显式式连接关系系，是具有有多对多类类型的数据据组织方式式。系名化学系教师数学生数研究生系名数学系教师数49学生数257研究生71学校名称徐州师大系名城环系教师数52学生数300研究生70系名教师数学生数研究生系名教师数学生数学号002312姓名张三年级3籍贯广东系名教师数学生数研究生系名教师数学生数教师号66姓名王一年龄30职称教授系名教师数学生数研究生系名教师数学生数课程号A01课程名GIS周学时4学分5系名教师数系名学号002312课程号A0112/23/202226西北大学城城市与资源源学系网络数据模模型优点：能明确而方方便地表示示数据间的的复杂关系系数据冗余小小缺陷：网状结构的的复杂，增增加了用户户查询和定定位的困难难。需要存储数数据间联系系的指针，，使得数据据量增大数据的修改改不方便（（指针必须须修改）12/23/202227西北大学城城市与资源源学系关系数据库库模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6关系数据库库模型是以以记录组或或数据表的的形式组织织数据，以以便于利用用各种地理理实体与属属性之间的的关系进行行存储和变变换，不分分层也无指指针，是建建立空间数数据和属性性数据之间间关系的一一种非常有有效的数据据组织方法法。点12/23/202228西北大学学城市与与资源学学系关系数据据模型优点：结构特别别灵活，，满足所所有布尔尔逻辑运运算和数数学运算算规则形形成的查查询要求求能搜索、、组合和和比较不不同类型型的数据据增加和删删除数据据非常方方便缺陷：数据库大大时，查查找满足足特定关关系的数数据费时时对空间关关系无法法满足12/23/202229西北北大大学学城城市市与与资资源源学学系系面向向对对象象数数据据库库系系统统面向向对对象象（（object-oriented，，oo））的的概概念念起起源源于于程程序序设设计计语语言言————面面向向对对象象的的编编程程语语言言(简简称称OOPL)，，强强调调对对象象概概念念的的统统——，，引引入入对对象象、、对对象象类类、、方方法法、、实实例例等等概概念念和和术术语语，，采采用用动动态态联联编编和和单单继继承承性性机机制制。。它它以以OOPL为为核核心心，，集集各各种种软软件件开开发发工工具具为为一一体体，，建建立立OO计计算算环环境境，，配配有有很很强强的的图图形形功功能能和和多多窗窗口口用用户户界界面面。。基本本出出发发点点就就是是以以对对象象作作为为最最基基本本的的元元素素，，尽尽可可能能按按照照人人类类认认识识世世界界的的方方法法和和思思维维方方式式来来分分析析和和解解决决问问题题。。12/23/202230西北北大大学学城城市市与与资资源源学学系系对象象：：是对对客客观观世世界界实实体体的的抽抽象象描描述述，，由由信信息息（（数数据据））和和对对数数据据的的操操作作组组合合而而成成。。类：：是对对多多个个相相似似对对象象共共同同特特性性的的描描述述。。消息息：：是对对象象之之间间通通信信的的手手段段，，用用来来指指示示对对象象的的操操作作。。分分公公有有消消息息和和私私有有消消息息。。方法法：：是对对象象接接收收到到消消息息后后应应采采取取的的动动作作序序列列的的描描述述。。实例例：：是由由一一特特定定类类描描述述的的具具体体对对象象。。元类类：：是相相似似的的类类的的共共同同属属性性的的抽抽象象，，元元类类的的实实例例是是类类，，类类的的实实例例是是对对象象。。对象象具具有有封封装装性性和和继继承承性性，，涉涉及及到到分分类类（（classification））、、概概括括（（generalization））、、聚聚集集（（aggregation））、、联联合合（（association））、、继继承承（（inheritance））和和传传播播（（propagation））等等概概念念。。基本概概念12/23/202231西北大大学城城市与与资源源学系系基本概概念协议：：是一个个对象象对外外服务务的说说明。。封装：：是将某某件实实物包包围起起来，，使外外界不不必知知道其其实际际内容容。继承：：从某类类对象象得到到另一一类对对象的的特征征和能能力。。如饭饭店子子类从从建筑筑物类类继承承地址址、建建筑日日期等等属性性。引引入类类的继继承，，就出现了了类的的层次次结构构，也就就有了了超类类（基基类））、子子类（（派生生类））的概概念。。12/23/202232西北大大学城城市与与资源源学系系基本概概念概括：：是把一一组具具有相相同特特征和和操作作的对对象归归纳在在一个个更一一般的的超类类中。。联合：：是相似似对象象的抽抽象组组合，，可看看作是是更高高层次次的集集合对对象。。如西西安市市是新新城区区、雁雁塔区区、碑碑林区区等区区的联联合。。又联联合关关系的的对象象叫成成员。。聚集：：是类似似于联联合的的抽象象化概概念，，不强强调整整个对对象的的具体体细节节，例例如建建筑物物是墙墙、窗窗、门门、房房顶和和楼板板几部部分的的聚集集。传播：：作为联联合和和聚集集的一一种工工具，，通过过一种种强制制性的的手段段将子子对象象的属属性信信息传传递给给复杂杂对象象。例例如西西安市市大学学生数数量可可以由由各个个大学学的学学生数数求和和派生生得到到。12/23/202233西北大学城市市与资源学系系面向对象的几几何抽象类型型GIS中的各各种地物，在在几何性质方方面不外乎表表现为四种类类型，即点状状地物、线状状处物、面状状地物以及由由它们混合组组成的复杂地地物，因而这这四种类型可可以作为GIS中各种地地物类型的超超类。12/23/202234西北大学城市市与资源学系系面向对象的属属性数据模型型GIS中的地地物可根据国国家分类标准准或实际情况况划分类型。。如一个大学学GIS的对对象可分为建建筑物、道路路、绿化、管管线等几大类类，地物类型型的每一大类类又可以进一一步分类，如如建筑物可再再分成教学楼楼、科研实验验楼、行政办办公楼、教工工住宅、学生生宿舍、后勤勤服务建筑、、体育楼等子子类，管线可可再分为给水水管道、污水水管道、电信信管道、供热热管道、供气气管道等，另另一方面，几几种具有相同同属性和操作作的类型可综综合成一个超超类。12/23/202235西北大学学城市与与资源学学系面向对象象数据库库系统的的实现方方式面向对象象的数据据模型从从概念上上将人们们对GIS的理理解提高高到了一一个新的的高度。。一方方面，它它巧妙地地容纳了了GIS中拓扑扑数据结结构的思思想，能能有效地地表达空空间数据据的拓扑扑关系。。另一方方面，面面向对象象数据模模型在表表达和处处理属性性数据时时，又具具有许多多独特的的优越性性。目前，采采用面向向对象数数据模型型，建立立面向对对象数据据库系统统，主要要有三种种实现方方式：扩充面向向对象程程序设计计语言(OOPL)，，在OOPL中中增加DBMS的特性性扩充RDBMS，在RDBMS中增增加面向向对象的的特性建立全新新的支持持面向对对象数据据模型的的OODBMS12/23/202236西北大学学城市与与资源学学系吉奥之星星中的的空间对对象模型型12/23/202237西北大学学城市与与资源学学系空间数据据库概述述空间数据据库定义：空空间数据据库是某某一区域域内关于于一定地地理要素素特征的的数据集集合特点：数据量特特别大属性数据据和空间间数据联联合管理理数据应用用范围广广泛空间数据据库的数数据特征征1空间间特征2非结结构化特特征3空间间关系特特征4多尺度度与多态性性5分类编编码特征6海量数数据特征12/23/202238西北大学城城市与资源源学系传统数据库库与空间数数据库的比比较传统数据库空间数据库数据连续性/相关性不连续相关性小连续较强空间相关性实体类型/空间关系少简单固定多复杂且不固定记录长度结构化等长非结构化不等长查询与操作文字、数字文字数字空间图形12/23/202239西北大学城城市与资源源学系矢量数据管管理方案基于文件与与关系式数数据库的空空间数据混混合管理方方案基于关系式式数据库的的空间数据据管理方案案基于对象—关系式数据据库的空间间数据管理理方案。12/23/202240西北大学城城市与资源源学系文件关系系数据库混混合管理方方案几何数据采采用图形文文件管理，，功能较弱弱，特别是是在数据的的安全性、、一致性、、完整性、、并发控制制方面，比比商用数据据库要逊色色得多。空间数据分分开存储，，数据的完完整性有可可能遭到破破坏。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发语言数据库开发发数据库开发发12/23/202241西北大学城城市与资源源学系全关系式数数据库管理理方案属性数据、、几何数据据同时采用用关系式数数据库进行行管理空间数据和和属性数据据不必进行行烦琐的连连接，数据据存取较快快属间接存取取，效率比比DBMS的直接存取取慢，特别别是涉及空空间查询、、对象嵌套套等复杂的的空间操作作GIS软件：System9，SmallWorld、Geovision等GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间数据库关系表二进制块12/23/202242西北大学城城市与资源源学系对象关系数数据库管理理方案对现有的关关系数据库库进行扩展展，增加空空间数据类类型解决了空间间数据变长长记录的存存储问题，，由数据库库软件商开开发，效率率较高用用户不能根根据GIS要求进行空间间对象的再定定义，因而不不能将设计的的拓扑结构进进行存储，没没有解决数据据的嵌套纪录录问题GIS软件：TIGER，Geo++、GeoTropics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）12/23/202243西北大学城市市与资源学系系栅格数据的管管理基于文件的影影像数据库管管理文件结合数据据库影像管理理基于关系数据据库管理12/23/202244西北大学城市市与资源学系系目前大部分GIS软件和和遥感图像处处理软件都是是采用文件管管理方式来管管理遥感影像像数据缺点：无法应应付数据的安安全性、并发发控制和数据据共享文件管理形式的影像数据影像数据001影像数据002影像数据003影像数据004影像数据005文件管理方式式12/23/202245西北大学城市市与资源学系系影像数据按照照文件方式组组织管理在关系数据库库中，每个文文件都有唯一一的标识号对对应影像信息息文件-数据库库管理方式文件管理形式的影像数据影像数据001影像数据002影像数据003影像数据004影像数据005011002Image005011001Image004011003Image003…………011002Image002011001Image001块号影像名称影像信息数据库表影像数据的文件管理12/23/202246西北大大学城城市与与资源源学系系关系数数据库库管理理基于扩扩展关关系数数据库库的影影像数数据管管理是是将影影像数数据存存储在在二进进制变变长字字段中中，然然后应应用程程序通通过数数据访访问接接口来来访问问数据据库中中的影影像数数据，，同时时影像像数据据的元元数据据信息息存放放在关关系数数据库库的表表中，，二者者可以以进行行无缝缝管理理。特点：：所有数数据集集中存存储，，数据据安全全，易易于共共享较方便便管理理多数数据源源和多多时态态的数数据支持事事务处处理和和并发发控制制，有有利于于多用用户的的访问问与共共享影像数数据和和元数数据集集成到到一起起，能能方便便的进进行交交互式式查询询对C/S的的分布布式应应用支支持较较好，，网络络性能能和数数据传传输速速度都都有很很大提提高影像数数据访访问只只能通通过数数据库库驱动动接口口访问问，有有利于于数据据的一一致性性和完完整性性控制制，数数据不不会被被随意意移动动、修修改和和删除除支持异异构的的网络络模式式，即即应用用程序序和后后台数数据库库服务务器可可以在在不同同操作作系统统平台台下运运行12/23/202247西北大学城城市与资源源学系48空间数据索索引空间索引概概念根据空间对对象位置和和形状或空空间对象的的某种空间间关系，按按一定顺序序排列的数数据结构，，包含空间间对象的概概要信息，，以提高空空间操作的的效率GIS中引引入空间索索引的必要要性工作区建立立查询、显示示数据提取常见空间索索引方法对象范围索索引格网索引四叉树索引引R树和R+树索引12/23/202248西北大学城城市与资源源学系49空间索引：对象范围索索引IDXmaxXminYmaxYmin1…………2…………3………………………4YmaxYminXminXmax空间对象集合123456检索窗口XNYWYEXSXmax≥XNORXmin≤XSORYmax≥YEORYmin≤YW空间对象不被检索XE≤Xmax，Xmin≤XNANDYW≤Ymax，Ymin≤YE空间对象被检索XNYWYEXS23612/23/202249西北大学城市市与资源学系系50空间索引：格网索引P(3,3)=6P(3,1)=4P(3,2)=103412P(2,3=1P(2,1)=7P(2,2)=83142头指针IDP10

20304052607334123142375210489168590109链指针12/23/202250西北大学城市市与资源学系系9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Friday,December23,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。02:38:5002:38:5002:3812/23/20222:38:50AM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2202:38:5002:38Dec-2223-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。02:38:5002:38:5002:38Friday,December23,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2202:38:5002:38:50December23,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。23十十二月20222:38:50上午午02:38:5012月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月222:38上上午12月-2202:38December23,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/232:38:5002:38:5023December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。2:38:50上午2:38上上午02:38:5012月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Friday,December23,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。02:38:5002:38:5002:3812/23/20222:38:50AM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累