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第1节空间数据库概述第2节空间数据库概念模型设计第3节空间数据库逻辑模型设计第4节空间数据库的物理设计第5节空间数据查询主要内容第6节空间数据库索引第7节元数据第8节空间数据库引擎第9节空间时态数据库第一节空间数据库概述1.数据库的相关概念①数据库：是指长期储存在计算机内有结构的、大量的、可共享的数据集合。②数据库管理系统：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件；他的功能包括：数据定义，数据操作，数据库的运行管理，数据库的建立和维护。③数据库系统：指在计算机系统中引入数据库后的系统，它由数据库、数据库管理系统及其开发工具、应用系统、数据库管理员和用户构成。④数据库系统管理员：负责数据库的建立、使用和维护的专门人员。一、空间数据库的概念第一节空间数据库概述2.空间数据库的相关概念空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总合，以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上。空间数据库（系统）组成：包括3部分空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总合，一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上。空间数据库管理系统：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，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件。数据库应用系统：应用模块。第一节空间数据库概述常规数据库管理系统扩展：直接对常规数据库管理系统进行扩展，加入一定数量的空间数据存储与管理功能。例如：Oracle空间数据库引擎（SDE:SpatialDatabaseEngine）：在常规数据库管理系统上加一层空间数据库引擎，实现空间数据的存储与管理。例如：ESRI的SDE3、空间数据库管理系统的实现方法空间数据库管理系统是建立在常规数据库管理系统的基础上，实现对空间数据的管理功能。4、空间数据库管理实现方式的四个主要阶段：（1）初级管理模式：ArcInfo的Coverage（2）混合管理模式：ArcInfo的Shape和MapInfo的TAB（3）扩展式管理模式：ArcInfo的GeoDatabase（4）集成式管理模式：OracleSpatialCartridge第一节空间数据库概述转换现实世界人类的认识、抽象机器世界DBMS支持的数据模型现实世界中客观实体的抽象过程信息世界的概念模型1.空间数据库的设计过程这一过程一般需要两步①人类对客体的认识、抽象，建立概念模型。②将概念模型转换为计算机能够接受的形式，即数据模型。就是将地理空间客体按一定的组织形式，在数据库系统中加以表达的过程。二、空间数据库的设计第一节空间数据库概述第一步需求分析第二步概念设计第三步逻辑设计第四步物理设计 第五步数据库的实施和维护设计步骤第一节空间数据库概述明白即将开发的GIS所支持的各种功能；了解系统要求的数据内容和行为；了解数据之间的关系和优先次序，这些信息有利于制定数据库的开发实施计划。了解数据库和GIS的整体要求和蓝图。现状调查调查内容的组织的分析第一步用户需求分析GIS数据库开发应该主要了解下面的内容用户需求分析方法：第一节空间数据库概述用户需求分析过程现状调查：通过实际调查了解用户的现状及要求调查内容的组织的分析：对调查的结果进行整理、分析和组织，并提交报告及图件。包括：现有机构的组织结构图软件、硬件资源表专业人员清单部门功能清单数据来源清单第一节空间数据库概述把用户的需求加以解释，用概念模型表达出来，具体任务包括：1)数据库的宏观定义指对数据库比例尺、地图投影和坐标系统的定义。2)数据库的特征设计对于各种地理特征有关的属性数据中以什么几何形式表达进行设计。3)数据库表格及其关系的设计表达对与地理特征有关的属性数据在数据库中表达方式的设计。第二步概念化设计第一节空间数据库概述4）数据库总体设计的评定根据数据库的应用目的和数据内容及使用方式来评价前面三步的设计结果。5）数据库概念模型的起草将GIS数据库的概念设计起草成正式的文件，作为后面详细设计时参考。第一节空间数据库概述第三步逻辑设计逻辑设计应该选择最适于描述与表达相应概念结构的数据模型，然后选择最合适的空间数据库管理系统。设计逻辑结构时一般要分三步进行：①将概念结构转换为一般的关系、网状、层次模型②将转化来的关系、网状、层次模型向特定空间数据库系统支持下的数据模型转换。③对数据模型进行优化。第一节空间数据库概述数据库的物理设计特点设计人员必须充分了解所用DBMS的内部特征，特别是存储结构和存取方法；充分了解应用环境，特别是应用的处理频率和响应时间要求；充分了解外存设备的特性。第四步物理设计数据库最终是要存储在物理设备上的。为一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（存储结构与存取方法）的过程，就是数据库的物理设计。第一节空间数据库概述设计原则：

①尽量减少空间数据存储冗余；②提供稳定的空间数据结构，在用户的需要改变时，数据结构能够做出相应的变化；③满足用户对空间数据及时访问的需求，高效提供用户所需的空间数据查询结果；④在空间元素间维持复杂的联系，反映空间数据的复杂性；⑤支持多种决策需要，具有较强的应用适应性。3.空间数据库设计的原则、步骤和技术方法第一节空间数据库概述根据逻辑设计和物理设计的结果，在计算机上建立实际的空间数据库系统，装入空间数据，并调试和运行。建立实际的空间数据库结构装入试验性的空间数据对应用程序进行测试，以确认其功能和性能是否满足设计要求装入实际的空间数据，即数据库加载，建立起实际运行的数据库。数据库试运行1、数据库的实现三、空间数据库的实施和维护第一节空间数据库概述2、相关的其它设计在数据库试运行期间，应进一步完善数据库的功能和性能。

（1）空间数据库再组织：调整或者改变空间数据库的概念、逻辑和物理结构的。（2）安全性考虑：规定相应的数据库使用权限，保证数据库的安全运行。主要方法是授权。（3）故障恢复处理：数据库恢复就是把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态（亦称为一致状态或完整状态）的功能。（4）事务控制：事务控制的目的就是保证多用户环境下的数据库的完整性和一致性。第一节空间数据库概述(1)维护空间数据库的安全性和完整性：需要及时调整授权和密码，转储及恢复数据库(2)监测并改善数据库性能：分析评估存储空间和响应时间(3)增加新功能：按用户的需要及时扩充功能，满足用户的新需要。(4)修改错误：包括程序和数据。3、空间数据库的运行与维护第二节空间数据库概念模型设计传统数据模型的不足传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理信息数据是连续的，并且具有很强的相关性。传统数据库系统管理的实体类型太少，并且实体之间通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系（如拓扑关系）。传统数据库系统管理是以等长记录为基础的结构；而地理空间数据通常是结构化的，其数据项可能很大，很复杂，并且是变长记录。传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而地理空间数据库中需要有大量空间数据库操作和查询，如特征提取，影象分割、影象代数运算、拓扑和相似性查询。第二节空间数据库概念模型设计为了克服传统数据模型存在的缺陷，从20世纪70年代后期开始，陆续出现了一些其他的数据模型，其中最主要的是语义数据模型面向对象数据模型第二节空间数据库概念模型设计

语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述实体的基本语义特性，根据语义模型结构规则,把这些抽象有机的组织起来。语义模型是概念模型的一种，是对信息世界建模，表示方法有多种，其中实体联系方法(Entity-RelationshipApproach)得到广泛应用，该方法用E-R图来描述现实世界，用于建立概念模型。一、语义数据模型（E-R模型）第二节空间数据库概念模型设计①实体型实体是对客观存在的起独立作用的客体的一种抽象。②属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体联系起来③联系是客体间有意义的相互作用或对应关系。一般分为三种联系：一对一(1:1)，一对多(1:N)，多对多(M:N)。E-R图表达的三种语义第二节空间数据库概念模型设计E-R模型设计步骤：（1）设计各个局部E-R图根据需求分析的结果（数据流图、数据字典等）对现实世界的数据进行抽象，分解成不同功能的局部模块，对每个局部模块设计视图，即分E-R图。分E-R图中每一部分对应一个局部应用。第二节空间数据库概念模型设计不同局部视图中同一对象具有不同的抽象、同一实体中所包含的属性排列次序不完全相同、实体之间的联系呈现不同的联系类型。(2)设计全局E-R图①属性域冲突即属性值的类型、取值范围或取值集合不同，属性取值单位冲突同名异义，异名同义（一义多名）。②命名冲突③结构冲突第二节空间数据库概念模型设计E-R图的优化原则：实体类型个数尽可能少；实体类型所含类型最少；实体间联系无冗余。全局E-R图的优化职工A职工号B姓名C性别实体属性实体——ER图中实体，相当于实体集，相当于一个表；表中一行仅是实体的一个实例属性——是实体的性质，其关键属性就是表的主键

实体属性学生学号姓名年龄性别学生学号姓名年龄性别课程课程号课程名教师

实体属性课程课程号课程名教师ER模型（EntityRelationshipModel）ER模型的优点

一是接近人的思维，容易理解；二是与计算机无关，用户容易接受。因此，ER模型已成为软件工程的一个重要设计方法。尽管如此，但现有的数据库不能直接接受ER模型，主要是ER模型只能说明实体间语义联系，还不能进一步说明详细数据结构。一般遇到一个实际问题，总是先设计一个ER模型，然后再转换成计算机已实现的数据模型。第二节空间数据库概念模型设计二、面向对象的数据模型面向对象的系统分析与设计(OOA＆D)

面向对象的分析与设计(OOA＆D)方法的发展在80年代末至90年代中出现了一个高潮，产生了统一的建模语言UML（UnifiedModelingLanguage）。UML适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统，而且适用于系统开发的不同阶段，从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护。

第二节空间数据库概念模型设计采用面向对象的思想，对系统进行分析，根据用户需求提取出系统应具有的属性和行为。将分析的结果用某种易于转化为编码或易于理解的形式表达出来。我们常见的有流程图，ER图，数据流图等。分析和设计是两个相互结合、渐进的过程。面向对象的设计：面向对象的分析：第二节空间数据库概念模型设计1、面向对象数据模型的基本概念(1)对象对象就是现实世界中客体的模型化，与数据库中记录、元组等概念相似。如：行政区域的多边形对象，表示一条河流的弧段对象对象的两个特点状态性特征：是通过域来描述的，可称为私有存储单元。封装性特征：对象的封装性特征表现为它的私有存储单元只能由它自己的功能进行处理。二、面向对象的数据模型第二节空间数据库概念模型设计(2)消息

消息是对象之间相互请求或相互协作的唯一途径。一个对象必须通过向其它对象发送消息的形式使得其它对象提供各自能实现的功能。消息的特性：消息是对象之间唯一的通信形式；消息是外界能够引用对象操作及获取对象状态的唯一方式。消息的这些特性保证了对象的实现只能依赖于它本身的状态和所能接受的消息，而不依赖于其它对象的内部细节和状态。第二节空间数据库概念模型设计消息类型公有消息如果一些消息属于同一个对象，其中有些消息可由其它对象向它发送的，叫做公有消息。私有消息如果一些消息是由它自己向自身发送的，就叫做私有消息。第二节空间数据库概念模型设计多边形对象组成对象的组成示意第二节空间数据库概念模型设计(3)类类是对一组对象的抽象描述，它将该组对象所具有的共同特征集中起来，以说明该组对象的能力和性质。实例是某类的一个具体抽象；类是多个实例的抽象的总和；类和实例之间是抽象和具体的关系；类的确定方法是归纳，这就要求在观察问题是，注意提炼所遇到对象的共同特征，以确定其类的表达。实例：是某类的一个具体抽象。类和实例之间的关系第二节空间数据库概念模型设计（1）继承是现实世界中对象之间的一种独特关系，它使得某对象可以自然的拥有另外一类对象的某些特征和功能。对象类的单继承和多继承，及其层次结构

直接继承曲线对象类

多边形对象类继承曲面对象类的特性，还有曲线对象类的特性

2、继承及类之间的层次关系继承包括单继承和多继承两种，如下图第二节空间数据库概念模型设计（2）类的层次结构是引入类的继承关系而产生的，包括超类：被继承的类称为超类。子类：继承其他类的对象称为子类。对象类的单继承和多继承，及其层次结构

直接继承曲线对象类

多边形对象类继承曲面对象类的特性，还有曲线对象类的特性

第二节空间数据库概念模型设计

面向对象的功能重载和多态

3．功能重载和多态性：实现消息传递。功能重载：功能重载实际上意味着实现特定功能的方法不仅以名称来区分，而且用它所带的参数来区别。多态性：是同一个消息可以根据对象的不同，采用多种不同的行为方式。第二节空间数据库概念模型设计4、概括和聚集概括：是把一组具有相同特征和操作的对象类归纳在一个更一般的超类中。例如，多边形对象类和弧段对象类共同具有的一些空间特征，它们可作为空间对象类的子类，而空间对象类则是它们的超类。概括形成了子类和超类之间的is-a的语义联系。第二节空间数据库概念模型设计聚集：反映了嵌套对象的概念，嵌套对象是由一些其它对象组成的，它是用来描述较高层次对象的一种形式。例如，上述的地理信息系统图形显示子系统中，一个图层对象类是由多边形对象类、弧段对象类、点对象类等对象类的聚集体。这里的图层对象就是嵌套对象，多边形对象类与图层对象之间形成is-part-of的语义联系。第二节空间数据库概念模型设计（六）ORM（对象角色建模）图ORM：运用面向对象的方法进行数据库概念建模的方法。ORM图用对象类型和谓词来表达一个事实。对象类型：实际对象或概念的类型，必须以英文名词形式出现，以大写字母开头，且只能被定义一次。谓词：描述由对象类型扮演的角色的事实的一部分。第三节空间数据库逻辑模型设计一、关系数据模型1、关系模型的基本概念(1)关系关系是一个二维表，表的每行对应一个元组，表的每列对应一个域。元组域表的每行对应一个元组域是一组具有相同数据类型的值的集合属性：每列起一个名字，如XTIC第三节空间数据库逻辑模型设计关系模型:用表格数据表示实体与实体之间联系的模型。基于关系数据模型的数据库系统称关系数据库系统，如Access、SQLServer、FoxPro、Oracle等第三节空间数据库逻辑模型设计基本关系通常可称为基本表或基表，它是实际存储数据的逻辑表示。查询表是查询结果对应的表视图表是由基本表或其它视图表导出的表，是虚表，不对应实际存储的数据。2、关系的类型第三节空间数据库逻辑模型设计关系中某一属性组，若它的值能唯一地标识一个元组，则称该属性组为候选关键字。关键字3、关键字主关键字：若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主关键字。主属性：主关键字的属性称为主属性。非主属性：不包含在任何候选关键字中的属性称为非主属性。第三节空间数据库逻辑模型设计关系模型的完整性：实体完整性规则参照完整性规则用户定义完整性规则第三节空间数据库逻辑模型设计实体完整性规则:一个表的主键值不能重复，也不能为空Access中主键字段标示有钥匙图案主键：“职工号”

主键：“职工号＋工地编号”

第三节空间数据库逻辑模型设计参照完整性规则:“一对多”关系中，“一”表的主键字段必然会出现在“多”表中，成为联系两个表的纽带；“多”表中出现的这个字段被称为外键；“一”表称为该外键的参照表。参照完整性规则规定：“多”表中的外键值或者为空，或者是“一”表中主键的有效值；外键值可以重复。

Access支持实体完整性规则和参照完整性规则第三节空间数据库逻辑模型设计一对多级联更新：当“一”表主键值更新时，对应“多”表中外键字段的所有值将自动更新。级联删除：如果删除“一”表中某个记录，则与该记录主键字段值相同的外键字段值所在的所有记录也将自动删除。

第三节空间数据库逻辑模型设计域完整性规则:域完整性规则是用户自定义规则将某些字段的值限制在合理的范围内超出限定范围的数据(非法数据)不允许进入数据库(系统将报警)用户定义完整性规则第三节空间数据库逻辑模型设计（二）空间数据库关系数据模型的逻辑设计数据依赖：是通过一个关系中属性间值的相等与否体现出来的数据间的相互关系，数据依赖是现实世界属性间相互联系的抽象，属于数据内在的性质。在计算机科学中，数据依赖是指一种状态，当程序结构导致数据引用之前处理过的数据时的状态。第三节空间数据库逻辑模型设计函数依赖：数据依赖的一种最普遍形式，是一个属性或属性集合的值对另一个属性或属性集合的值得依赖性。设有一关系模式R（A1,A2,…,An),X和Y均为（A1,A2,…,An)的子集，对于R的值r来说，当其中任意两个元组u,v中对应于X的那些属性分量的值均相等时，则有u,v中对应于Y的那些属性分量的值也相等，称X函数决定Y，或Y依赖于X，记为X->Y。函数依赖的类型：1、最基本的依赖是主关键字决定关系模式中的非主关键字。2、完全函数依赖3、传递函数依赖4、多值依赖第三节空间数据库逻辑模型设计范式：模式的规范化第一范式

第二范式第三范式第三节空间数据库逻辑模型设计第一范式：表中任意字段的值必须是不可分的，即每个记录的每个字段只能包含一个数据。第三节空间数据库逻辑模型设计第二范式：表中所有非主键字段完全依赖于主键字段表中的“名称”字段不依赖于主键“职工号＋工地编号”

第三节空间数据库逻辑模型设计第二范式：解决方法：非主键字段依赖主键“职工号＋工地编号”非主键字段依赖主键“工地编号”第三节空间数据库逻辑模型设计第三范式：满足第二范式的前提下，一个表的所有非主键字段均不传递依赖于主键传递依赖：设表中有A(主键)、B、C三个字段，若B依赖于A，而C依赖于B，称字段C传递依赖于主键字段A

第三节空间数据库逻辑模型设计解决方法

空间数据库的物理设计可分为5步，前三步为结构设计，后两步为约束和程序设计(1)存储记录的格式设计：对数据项类型特征作分析，对存储记录进行格式化，决策如何进行数据压缩或代码化。(2)存储方法设计：是把存储记录在全数据库范围内进行物理存储安排。①顺序存储：该存储方式的平均查询次数为关系记录个数的1/2；②散列存储：该存储方式的查询次数由散列算法所决定；③索引存储：需要确定创建何种索引，及在哪些库和属性上建立索引；④聚簇存储：是指将不同类型的记录分配到相同的物理区域中去。第四节空间数据库物理设计第四节空间数据库物理设计(3)访问方法设计：访问方法设计为存储在物理设备上的数据提供存储结构和查询路径，该设计与选用的数据库管理系统有很大关系。

(4)完整性和安全性考虑：根据逻辑设计说明书中提供的对数据库的约束条件、具体选择的数据库管理系统和操作系统的性能特征及硬件环境，设计建立数据库完整性和安全性措施。(5)应用设计：包括人机界面的设计、输入／输出格式的设计、代码设计、处理加工设计等。(6)形成物理设计说明书：包括存储记录格式，存储记录位置分布及访问方法、它能满足的操作需求，并给出对硬件和软件系统的约束。第五节空间数据查询

空间数据的查询是GIS最基本的功能，它是GIS高层次空间分析的基础，也是GIS面向用户的直接窗口。在GIS中，用户的很多问题可通过查询解决，查询还能派生新数据。一、空间数据查询的类型空间数据查询类型基于空间特性的查询结合空间特性和非空间（属性）特征的查询基于属性（非空间）特征的查询第五节空间数据查询

属性特征的查询主要在属性数据库中完成，这种查询通常基于标准的SQL查询语言实现，之后按照属性数据和空间数据的对应关系显示图形。1、基于属性（非空间）特征的查询标号植被面积101工业地169102林地122103农地230104林地100基于属性（非空间）特征的查询例：已有某地区的土地利用表及相应的图，现要找到林地，通过对下列属性数据表查找植被为林地的记录，并显示这些记录相应的空间位置。

102104103101第五节空间数据查询

空间性是空间数据的主要特征，空间特征的查询通常指以图形、图像或符号为语言元素的可视化查询。从查询的内部过程看，是属于“图到属性的查询”。这种查询首先借助于空间索引在空间数据库中找出空间地理对象，然后，再根据GIS中属性数据和空间数据的对应关系找出显示地理对象的属性，并可进一步进行相关的统计分析。2、基于空间特性的查询第五节空间数据查询

(1)空间几何数据查询主要根据空间目标的几何数据，分析计算不同地物(如线状地物)的长度、组成、坐标点数及面状地物的面积、周长等。

(2)空间位置查询这是空间查询中最基本的查询功能，只要空间数据是同大地坐标进行了配准，即可查询：简单的点击空间点状地物，就可获取坐标点地理位置；点击线状地物，就可获取该线的长度及地理位置；点击面状地物，就可获取该面的周长、面积及其地理位置等。第五节空间数据查询

例：右图就是在ARCVIEW软件下，点击黄色图斑，就可获取烟台市辖区的周长、面积等信息。烟台市辖区第五节空间数据查询

(3)空间关系查询空间关系查询主要指拓扑关系查询。①同类要素间的邻接性查询、连通性查询、包含性查询、重合性查询、方向性查询等。例：从中国地图上查与山东省相邻的有哪几个省，实质是进行邻接性查询。②不同类要素间的关联性查询、穿越性查询、落入性查询、方向性查询等。例：从中国地图上查京九铁路沿线有多少站，实质是进行关联性查询。例：从中国地图上查黄河经过哪几个省，实质是进行穿越性查询。注：进行空间关系查询时，不总是局限某一查询功能，常要用多种查询联合起来才能完成查询功能。

第五节空间数据查询

3、结合空间特性和非空间（属性）特征的查询

空间特征和属性特征的联合查询不是简单地由定位空间特性查询结果，显示相关的属性，也不是从属性特征的查询结果，显示相关的空间位置。空间特征和属性特征联合查询的实质是指查询条件中同时涉及空间特征和属性特征。例：从中国地图上查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km、长江以南(查空间中位置)、人口数大于100万的城市。本例中查人口数大于100万的城市，属于属性查询；查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km的城市，属于空间距离查询；查长江以南的城市，属于方位查询。

第五节空间数据查询

二、空间数据查询的数学基础

主要使用布尔代数方法，即按照两个逻辑子集在给定的条件下进行逻辑运算。它的基本运算符号或算子包括3个，交、并、差。AND(交)OR（并）NOT（差）及其组合逻辑运算的结果为“真”或“假”。第五节空间数据查询

二、空间数据查询的数学基础

主要使用布尔代数方法，即按照两个逻辑子集在给定的条件下进行逻辑运算。它的基本运算符号或算子包括3个，交、并、差。AND(交)OR（并）NOT（差）及其组合逻辑运算的结果为“真”或“假”。第五节空间数据查询

下图中，设属性分别为A和B的两个多边形相交，形成的空间单元分别为1、2、3，则它们经布尔操作后的结果如表所示。运算条件运算结果123A.AND

.B010A.OR.B111NOT.A001逻辑运算的真(1)或假(0)AB132多边形相交及其形成的空间单元第五节空间数据查询

三、空间查询的方法如Select所需数据项

From属性表

Where条件表达式1、基于SQL语言的空间查询目前的GIS软件常提供实现SQL查询的对话框，使查询更为简单方便。

优点：适合关系表的查询与操作。缺点：无法表达空间关系及空间运算操作。第五节空间数据查询例：在ARCVIEW软件下，提供查询的对话框，可在对话框编写查询的条件进行查询。第五节空间数据查询

对SQL进行扩充或改造，实现空间关系及空间运算操作的查询。2、基于空间查询语言(SpatialQueryLanguage)的查询在SQL上发展的空间结构化查询语言，提供6个显示参数。如：空间查询例：查高速公路，并用红虚线表示。SetColorRedPattemDashedForSelectGeometryfromRoadwhereType=“Highway”)第五节空间数据查询

将查询语言的元素用直观的图形或者符号表示。3、可视化空间查询方法可视化查询的语言元素经过转换可视化查询语句实现过程优点：查询直观形象。缺点：查询语言的元素数量较少，仅能进行有限的查询。第五节空间数据查询

4、基于自然语言的查询在查询语言中引入自然语言的概念。优点：查询变得更加简单和方便。缺点：在自然语言的量化时，与语言环境及专业领域相关。因此，很难作为通用的数据库查询语言。如：查询高气温的城市：

SelectNameFromCities

这里使用了一个自然语言的概念，即“温度高”将“自然语言”转换为“查询语言”WhereTemperature〉=33.75WhereTemperatureishigh实现过程第五节空间数据查询

5、超文本查询方法

超文本是由文本信息结点和结点间相关联的链所组成的具有一定逻辑关系和语言查询信息集成化的网络。第六节空间数据库索引

空间数据查询即空间索引是对存储在介质上的数据位置信息的描述，是用来提高系统对数据获取的效率，也称为空间访问方法(SpatialAccessMethodSAM)是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构其中包含空间对象的概要信息如对象的标识外接矩形及指向空间对象实体的指针。作为一种辅助性的空间数据结构空间索引介于空间操作算法和空间对象之间它通过筛选作用大量与特定空间操作无关的空间对象被排除从而提高空间操作的速度和效率。

索引类型

范围索引单元格网索引四叉树索引矩形范围索引基本原理就是对空间要素的外包络矩形进行索引。在进行空间范围查询时，分为两级过滤（筛选）：初次过滤根据空间要素外包络矩形来过滤掉大部分不在查询范围的空间要素；第二级过滤则用查询空间范围直接和初次过滤结果集中空间要素的二进制边界坐标比较，从而得到查询的准确结果。

矩形范围索引格网索引格网索引（GridIndex）就是将研究区域用横竖线条划分大小相等或不等的格网记录每一个格网所包含的空间实体当用户进行空间查询时首先计算出用户查询对象所在格网然后再在该格网中快速查询所选空间实体这样一来就大大地加速了空间索引的查询速度

格网索引四叉树编码索引四叉树作为一种有效的数据结构，不仅可以用来对栅格数据进行组织，它还可用于建立空间数据的索引。四叉树中的线性四叉树和层次四叉树都可以用于建立空间索引。在建立四叉树索引时，根据所有空间对象覆盖的范围，进行四叉树分割，使每个子块中包含单个实体，然后根据包含每个实体的子块层数或子块大小，建立相应的索引。在四叉树索引中，大区域空间实体更靠近树的根部，小实体位于叶端，以不同的分辨率来描述不同实体的可检索性。四叉树编码索引R树R+树BSP树第七节空间元数据

信息社会的发展，导致社会各行各业对翔实、准确的各种数据的需求量迅速增加以及数据库的大量出现。对不同类型数据，要求数据的内容、格式、说明等符合一定的规范和标准，以利于数据的交换、更新、检索、数据库集成以及数据的二次开发利用等，而这一切都离不开元数据(Metadata)。对空间数据的有效生产和利用，要求空间数据的规范化和标准化。例如，各应用领域的数据库不但要提供空间和属性数据，还应该包括大量的引导信息以及由纯数据得到的推理、分析和总结等，这些都是由空间数据的元数据系统实现的。第七节空间元数据1元数据标准概述

空间数据的复杂性带来了空间数据元数据标准建立的复杂性。并且由于种种原因，某些数据组织或数据用户开发出来的空间数据元数据标准很难为各部门广泛接受。但空间数据元数据标准的建立是空间数据标准化的前提和保证，只有建立起规范的空间数据元数据才能有效利用空间数据。因此，目前已形成了一些区域性或部门性的元数据标准。第七节空间元数据

美国联邦空间数据委员会(FGDC)的空间数据元数据标准影响较大，它确定了地学空间数据集的元数据内容。该标准于1992年7月开始起草，于1994年7月8日正式确认。它将地学领域中应用的空间数据元数据分为7个部分，它们是数据标识信息、数据质量信息、空间数据生产者描述信息、数据空间参考消息、地理实体及属性信息、数据传播及共享信息和元数据参考信息。第七节空间元数据2空间数据元数据的概念(1)元数据概念简要地说元数据就是关于数据的数据，是一种说明性数据，在地理空间信息中用于描述地理数据采集的内容、质量、状况、表示方式、空间参考、管理方式及其他特征，通过建立空间数据的元数据库并进行有效管理，使数据获取更加容易，这已成为信息资源实现有效管理和应用的重要手段。空间数据的元数据是实现地理空间信息共享的核心标准之一。第七节空间元数据(2)元数据的类型

通常，不同性质、不同领域的数据所需要的元数据内容会有差异，即使同一领域不同应用目的的元数据内容也会有很大的差异。进行元数据分类研究的目的在于充分了解和更好地使用元数据。分类的原则不同，元数据的分类体系和内容将会有很大的差异。1)根据元数据的体系分类①科研型元数据其主要目标是帮助用户获取各种来源的数据及其相关信息，它不仅包括诸如数据源名称、作者、主体内容等传统的、图书管理式的元数据，还包括数据拓扑关系等。这类元数据的任务是帮助科研工作者高效获取所需数据。第七节空间元数据②评估型元数据

主要服务于数据利用的评价，内容包括数据最初收集情况、收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法、数据质量控制、采样方法、数据精度、数据的可信度、数据潜在应用领域等。

用于描述数据模型的元数据与描述数据的元数据在结构上大致相同，其内容包括模型名称、模型类型、建模过程、模型参数、边界条件、作者、引用模型描述、建模型使用软件、模型输出等。③模型元数据第七节空间元数据(1)数据层元数据指描述数据集中每个数据的元数据，内容包括日期邮戳(指最近更新日期)、位置戳(指示实体的物理地址)、量纲、注释(如关于某项的说明见附录)、误差标识(可通过计算机消除)、缩略标识、存在问题标识(如数据缺失原因)、数据处理过程等。

包括为表达数据及其含义所建的数据字典、数据处理规则(协议)，如采样说明、数据传输线路及代数编码等。2)根据元数据描述对象分类(2)属性元数据第七节空间元数据

目前，很多GIS开发商都提供空间元数据管理工具或提供一些一般性的空间元数据管理系统，如ArcGIS8.X中ArcCatalog直接支待多种常用的元数据，并提供了输入元数据存储方案的编辑器和浏览功能。但对空间元数据的表达大都采用文本性描述语言。它实际上相当于建立了空间数据的索引信息。(3)实体元数据

描述整个数据集的元数据，内容包括数据集区域采样原则、数据库的有效期、数据时间跨度等。3．空间元数据的表达(1)文本性描述第七节空间元数据

文本性描述语言宋描述空间元数据具有通谷易懂、便于编辑等优点。但存在一些缺点：如元数据描述文本和被描述数据联系不够紧密、表达方式不够简洁、易产生语义上分歧、不利于空间元数据的标准化管理等。因此出现了基于XML的空间元数据表达方式及其元语言标准(RDF)。克服了文本性描述语言的缺点，使不同元数据标准描述的空间元数据交换和集成成为可能。(2)元语言标准第七节空间元数据

通过元数据，用户可对空间数据库进行浏览、检索和研究等。一个完整的地学数据库除提供空间数据和属性数据外，还应提供丰富的引导信息以及由纯数据得到的分析、综述和索引等。通过这些信息用户可以明白“这些数据是什么数据?”，“这个数据库对我有用吗?”，“这是我需要的数据吗?”等一系列问题。4空间数据元数据的应用(1)帮助用户获取数据第七节空间元数据空间数据存在数据精度问题，空间数据精度主要受源数据的精度和数据加工处理工程中精度质量的控制。空间数据质量控制内容包括：(2)空间数据质量控制中的应用②保证数据逻辑科学地集成，如植被数据库中不同亚类的区域组合成大类区，这要求数据按一定逻辑关系有效地组合；①准确定义的数据字典，以说明数据的组成、各部分的名称、表征的内容等；第七节空间元数据③有足够的说明数据来源、数据的加工处理工程、数据释译的信息。这些要求可通过元数据来实现，这类元数据的获取往往由专业和计算机领域的工作者来完成。数据逻辑关系在数据中的表达要由专业工作者来设计，空间数据库的编码要求一定的专业基础，数据质量的控制和提高要有数据输入、数据查错、数据处理专业背景知识的工作人员，而数据再生产要由计算机基础较好的人员来实现。所有这方面的元数据，按一定的组织结构集成到数据库中构成数据库的元数据来实现上述功能。第七节空间元数据

数据集层次的元数据记录了数据格式、空间坐标体系、数据的表达形式、数据类型等信息。系统层次和应用层次的元数据则记录了数据使用软硬件环境、数据使用规范、数据标准等信息。这些信息在数据集成的一系列处理中，如数据空间匹配、属性一致化处理、数据在各平台之间的转换使用等是必需的。这些信息能够使系统有效地控制系统中的数据流。(3)在数据集成中的应用第七节空间元数据

元数据系统用于数据库的管理，可以避免数据的重复存储，通过元数据建立的逻辑数据索引可以高效查询检索分布式数据库中任何物理存储的数据。减少数据用户查询数据库及获取数据的时间，从而降低数据库的费用。数据库的建设和管理费用是数据库整体性能的反映，通过元数据可以实现数据库的设计和系统资源的利用方面开支的合理分配，数据库许多功能(如数据库检索、数据转换、数据分析等)的实现是靠系统资源的开发来实现的，因而这类元数据的开发和利用将大大增强数据库的功能并降低数据库的建设费用。(4)数据存储和功能实现中的应用第八节空间数据库引擎采用关系数据库与文件混合管理模式的传统GIS数据库系统技术，在应用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理，总体上无法达到数据库技术冗余度、独立性等要求，用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与属性数据是GIS发展的必然趋势。1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型关系数据库中管理的产品，将其定名为“spatialdatabaseengine”，简称SDE，即为“空间数据库引擎”。第八节空间数据库引擎就其实质而言，空间数据引擎主要是为解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问题。目前空间数据库引擎主要有两种主要方式，一种以ESRI与数据库开发商联合开发的空间引擎SDE为代表，可称之为“中间件”方式的空间数据库引擎。另一种空间数据引擎由数据库厂商开发。这些厂商凭借其在数据库核心技术上的优势，在关系数据库管理系统本身作出扩展，使之支持空间数据管理。SDE的体系结构通常一个数据对象被分别存储在三个关系表中，要素表存储空间对象的坐标数据；索引表存储空间对象的索引，属性表存储空间对象的属性数据。同一个空间对象在三个表中的记录用一个共同的要素ID联系起来。第九节GIS空间时态数据库

一、空间时态数据库概述

TGIS目前基本上还处在实验阶段，国内外均未见成型的TGIS应用系统，其理论主要集中在时空数据模型方面

在国外，Langran和Chrisman最早在1998年就给出了TGIS概念设计的框架，随后又提出了四种基本的时空数据模型：时空立方体模型，快照模型、基态修正模型和时空复合模型

在国内，舒红、陈军等给出了时态对象结构的形式化定义、时态拓扑关系点集拓扑理论描述及逻辑谓词描述并设计了面向对象的时空数据模型，探讨了连续时间变化的空间实体建模理论第九节GIS