第四章空间数据库

第四章空间数据库

数据管理模式数据库模型空间数据库空间数据库管理模式空间索引4.1.1数据管理的三个阶段：

人工管理阶段

文件管理阶段

数据库管理阶段4.1数据管理模式地理信息系统空间数据库Fori=1,nforj=1,m

………………nextjNextiIf……………..…………….End564,735,689,34,23,455,……

人工管理阶段地理信息系统空间数据库文件管理阶段数据文件1数据文件2数据文件n……...应用程序1应用程序2………..应用程序m输出1输出2…….输出m地理信息系统空间数据库文件管理阶段缺点：（1）每个应用程序都必须直接访问所使用的数据文件，应用文件完全依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时应用文件也随之修改。（2）数据文件的共享。由于若干用户或应用程序共享一个数据文件，要修改数据文件必须征得所有用户的认可。地理信息系统空间数据库数据库管理系统数据文件1数据文件2数据文件n……...应用程序1应用程序2………..应用程序m输出1输出2…….输出m数据库管理系统DBMS数据文件1数据文件2数据文件n……...应用程序1应用程序2………..应用程序m输出1输出2…….输出m数据库管理系统DBMS地理信息系统空间数据库数据库管理系统优点：（1）数据集中控制（2）数据可充分共享（3）数据的独立性（4）以扩充新的数据库应用（5）用户直接访问数据库（6）冗余信息得到有效控制（7）多种用户的观点地理信息系统空间数据库数据库管理系统缺点：（1）建立数据库的费用较高，数据库系统软件和与之联系的任何硬件都可能是昂贵的。（2）添加内容时变得复杂，数据库系统比文件管理系统更加复杂。（3）风险集中化。数据集中存储，虽然减少了数据冗余，但集中存储也同样是数据损坏或丢失的风险增加。4.1数据管理模式4.1.2数据库管理系统和数据库系统1、数据库管理系统（DBMS）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，它提供了数据库的访问接口，以方便、有效地提供存取数据库信息的环境。应用系统应用开发工具DBMS操作系统数据库最终用户应用程序员数据库管理员4.1数据管理模式2.数据库系统数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统。包括数据库、操作系统、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。4.2数据库模型4.2.1数据库模型

数据库模型是严格定义的一组概念的集合，主要由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。

数据库概念模型

数据库逻辑模型

数据库物理模型数据库概念模型（1）面向记录的传统数据库数据模型

层次模型、网状模型、关系模型（2）面向语义的语义数据模型

实体-联系模型（E-R)（3）面向对象的对象数据模型方法数据库概念模型常用术语实体：客观存在并可相互区别的事物。实体集：同型实体的集合。属性：实体所具有的很多特征中的每一个特征。标识符：惟一标识实体的属性或属性集的标识符。实体间的联系：实体内部的联系实体集之间的联系：1:1；1：N；M:N数据库逻辑模型

数据库的逻辑模型是由DBMS支持的数据模型，并面向数据库的逻辑结构，有严格的形式化定义，以便于在计算机中实现。它通过严格的语法和语义定义，来描述数据结构特性，满足数据库存取、运行等用户需求。数据库逻辑模型1、术语数据项、记录、文件、关键码2、要素数据结构：实体类型及关系的表达和实现数据操作：对数据的检索和更新约束条件：对数据及其联系的制约和依赖规则地理信息系统空间数据库数据项数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。姓名学号籍贯性别出生年月……数据项（字段）（字段名、类型、长度）地理信息系统空间数据库记录：由若干相关联的数据项组成。记录姓名学号籍贯性别出生年月…张英18北京女66.02…李林20陕西男67.10…一条记录地理信息系统空间数据库文件文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。姓名学号籍贯性别出生年月…张英18北京女66.02…李林20陕西男67.10…………………基本信息地理信息系统空间数据库数据库：是比文件更大的数据组织。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系，不能孤立存在。数据库

基本信息课程成绩教师信息数据库物理模型

从满足用户需求的已定逻辑模型出发，在有限的硬软件环境下，用DBMS手段设计的数据库内模式，包括设计数据库的存储形式、存取路径、文件结构等。地理信息系统空间数据库4.2数据库模型4.2.2传统数据库系统（非空间）的数据模型

层次模型

网状模型

关系模型

面向对象的数据库模型层次数据库模型

它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。地理信息系统空间数据库长安大学人文学院汽车学院机械学院资源学院地测学院管理学院建筑学院外语学院建工学院公路学院材料学院环工学院理学院信息学院地质工程系地球探测与信息工程系测绘科学与工程系安全工程系层次数据库模型地理信息系统空间数据库层次数据库模型优点：存取方便且速度快结构清晰，容易理解数据修改和数据库扩展容易实现检索关键属性十分方便缺点：结构呆板，缺乏灵活性同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）不适合于拓扑空间数据的组织地理信息系统空间数据库网络数据库模型

网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。地理信息系统空间数据库MIIIabcdefg123456学生宿舍专业系学生教研室教师父母子女养育赡养网状数据库模型地理信息系统空间数据库优点：能明确而方便地表示数据间的复杂关系数据冗余小缺点：网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大数据的修改不方便（指针必须修改）地理信息系统空间数据库4.3.2网络数据库模型关系数据库模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。地理信息系统空间数据库学校名称长安大学系名教师数学生数研究生计算机5230070系名教师数学生数研究生地工系5230070系名教师数学生数研究生测绘系5230070教师号姓名年龄职称66谢元礼30教授教师号姓名年龄职称66谢元礼30教授教师号姓名年龄职称66谢元礼30教授课程号课程名教师号学分A01GIS42课程号课程名教师号学分A01GIS42课程号课程名教师号学分A01GIS42学号姓名年级籍贯002312张三3陕西学号姓名年级籍贯002312张三3陕西学号姓名年级籍贯00231张三3陕西学号课程号002312A01学号课程号002312A01学号课程号00231A01地理信息系统空间数据库优点：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的查询要求能搜索、组合和比较不同类型的数据增加和删除数据非常方便缺陷：数据库大时，查找满足特定关系的数据费时对空间关系无法满足关系数据库模型地理信息系统空间数据库

面向对象数据库系统

面向对象（object-oriented，oo）的概念起源于程序设计语言——面向对象的编程语言(简称OOPL)，强调对象概念的统—，引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。

基本出发点就是以对象作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。地理信息系统空间数据库对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操作组合而成。所有的概念实体都可以模型化为实体。类：是对多个相似对象共同特性的描述。消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。实例：是由一特定类描述的具体对象。元类：是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类的实例是对象。

基本概念

地理信息系统空间数据库基本概念协议：是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可以为外界。封装：是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实际内容。继承：从某类对象得到另一类对象的特征和能力。如饭店子类从建筑物类继承地址、建筑日期等属性。引入类的继承，就出现了类的层次结构，也就有了超类（基类）、子类（派生类）的概念。地理信息系统空间数据库4.3.1、空间数据库定义

简单地说，空间数据库是存放空间数据的数据库。确切地说：空间数据库是描述空间物体的位置数据、位置数据元素之间拓扑关系及描述这些物体的属性数据的数据库。地理信息系统空间数据库4.3空间数据库管理系统4.4.2、GIS数据库作用

对海量数据的管理能力；空间分析功能；设计方式灵活，满足用户要求支持网络功能地理信息系统空间数据库4.4空间数据库管理系统4.3空间数据库管理系统4.3.2空间数据的特征

空间特征抽象特征多尺度与多态性特征非结构化特征空间关系特征分类编码特征海量数据特征地理信息系统空间数据库描述空间物体的位置、形态，甚至需要描述物体的空间拓扑关系同一自然地物在不同的抽象中，可能有不同的语义。不同观察尺度具有不同的比例尺和精度，同一地物在不同情况下会有形态差异。记录不能等长空间数据除了空间坐标及隐含的空间分布关系外，空间数据还记录了拓扑数据结构表达的多种空间关系。每一个空间对象都有一个分类编码，因而每种地物对应于一个属性数据表文件。4.3.3空间数据与一般数据相比所具有的特点：

4.3空间数据库管理系统

数据量大；不仅拥有地理要素的属性数据，且还拥有大量的空间数据，且这两种数据具有不可分割的联系；数据应用面广地理信息系统空间数据库4.3.4传统数据库系统管理地理空间数据的局限性1、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，并且具有很强的空间相关性。2、传统的数据库管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单的、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。3、传统数据库存储的数据通常为等长记录的数据，而地理空间数据通常用于不同目标的坐标串长度的不定，具有变长记录，且数据项可能很大、很复杂。4、传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息，而空间数据库中需要大量的空间数据操作和查询，如邻域、连通、包含和叠加等。地理信息系统空间数据库4.4.6、GIS数据库的发展（1）数据库的计算平台的发展

集中式系统阶段

经典客户/服务器系统阶段

分布式计算系统阶段（2)空间数据模型的发展栅格模型、矢量模型、对象模型、约束模型地理信息系统空间数据库4.3空间数据库管理系统集成式阶段主机终端终端终端数据库集中在大型的基于主机的管理模式、具有各自独特的数据结构、文件格式，只能以重复备份或脱机拷贝的方式在不能得系统之间交换数据。地理信息系统空间数据库地理信息系统空间数据库经典客户/服务器系统阶段服务器客户端客户端客户端以统一、完整的GIS数据库系统存储和管理海量地理空间数据为主体，这种数据库可以在整个局域网范围内共享。地理信息系统空间数据库分布式计算系统阶段服务器服务器服务器客户端客户端客户端多种不同类型的地理数据分布在成千上万的通信子网站点上，形成多嵌套、无限延伸和异常复杂的地理信息空间。4.3.4空间数据库管理模式

文件关系数据库混合管理

全关系数据库管理

扩展关系数据库管理

面向对象数据库系统地理信息系统空间数据库4.3空间数据库管理系统4.4.7目前GIS数据库存在的问题

数据共享问题

数据瓶颈问题数据更新问题数据安全问题

数据格式文件统一性地理信息的标准化数据共享的政策地理信息系统空间数据库4.4空间数据库管理系统文件-关系数据库混合管理几何数据属性数据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语言数据库开发数据库开发地理信息系统空间数据库属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；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。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。文件-关系数据库混合管理地理信息系统空间数据库全关系数据库管理空间数据库GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS关系表二进制块地理信息系统空间数据库全关系数据库管理属性数据、几何数据同时采用关系型数据库进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属间接存取，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GIS软件：System9，SmallWorld、Geovision等地理信息系统空间数据库扩展关系数据库管理GIS界面空间数据处理RDBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）地理信息系统空间数据库扩展关系数据库管理在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。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GIS软件：TIGER，Geo++、GeoTropics等地理信息系统空间数据库面向对象的数据库管理系统面向对象模型最适应于空间数据的管理，它不仅支持变长记录，而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。面向对象的GIS数据库管理系统允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。地理信息系统空间数据库面向对象的几何抽象类型

GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。地理信息系统空间数据库面向对象的几何抽象类型

地理信息系统空间数据库面向对象的属性数据模型

GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。如一个大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。地理信息系统空间数据库4.5空间数据的组织空间数据的组织方式与所采用的数据模型有关。4.5.1分块组织——分区管理分区原因：

磁盘容量查询分析效率数据库维护地理信息系统空间数据库4.5空间数据的组织图块划分原则：

按存取效率较高的空间分布单元划分图块，以提高数据库的存取效率。图块的划分应使基本存储单元具有较高较为合理的数据量。在定义图块分区时，应充分考虑未来地图更新的图形属性信息及空间分布，以利于更新和维护。地理信息系统空间数据库4.5空间数据的组织4.5.2分层组织

将不同类不同级别的图元要素进行分层存放，每一层存放一种专题或一类信息。每一图层应具有的特性：可见性绘图特征叠加性地理信息系统空间数据库4.5空间数据的组织

当需要在整个区域范围内对空间数据进行操作时，必须建立逻辑上或物理上无缝的数据库。在平面方向上，分幅的数据要组织成无缝的一个整体，在垂直方向，各种数据通过一致的空间坐标定位能够相互叠加和套合。空间数据库系统要有高效的空间数据查询、调度、漫游以及数据分发与制图等功能。

地理信息系统空间数据库1、工作区通常将一幅图或几幅图的范围当作一个工作单元或称工作区。在这个工作区范围内，包含了所有各层的空间数据。工作区通常是以范围定义的。一般情况下，一幅图定义为一个工作区，也可将几幅图合为一个工作区。工作区行政边界道路……水系土壤土地覆盖居民4.5.3图幅内空间数据组织4.5空间数据的组织地理信息系统空间数据库2、工作层工作层被定义为空间数据处理的一个工作单元，它在平面上可能与工作区范围一致，但是在垂直方向，不同的软件定义有所区别。3、逻辑层如果一个工作层包含的内容很多，如所有地物类，这是为了显示、制图和查询方便，需要定义逻辑层。4、地物类将类型相同的地物组合在一起，形成地物类。

4.5空间数据的组织逻辑层与地物类的关系地理信息系统空间数据库4.5.4图库管理图库管理即为工程管理。从物理上说，每个工作区或工作层形成一个独立的工作单元，这样在数据采集和处理时非常必要的。但是在逻辑上，一个地区，或一个城市应该形成一个整体，即当作一个工程看待，用户可以在工程内任意开窗、放大、漫游、查询、分析和制图。这样涉及多个工作区的数据组织，也称海量数据管理。工程管理一般是建立图幅索引，即通过工作区的范围建立二维空间索引。工程管理除了进行工作区索引以外，还要进行并发控制管理。4.5空间数据的组织地理信息系统空间数据库4.5.5属性数据的组织

属性数据虽然一般均由关系数据库管理，但是它的组织方式也依GIS软件而异。如ARC/INFO，它的属性数据文件一般建立在对应的Coverage目录之下，在工作区目录下，通常有一个记录属性数据文件信息包括目录路径的文件。特别是，无论一个Coverage包含多少地物类，仅有一个ATT表和一个PAT表。为了表达不同地物类的不同属性项，也可能按每个地物类建立一个扩展属性表，他们与AAT或PAT表的连接，根据地物编码和内部连接码进行。

4.5空间数据的组织地理信息系统空间数据库4.5.5属性数据的组织MGE的属性数据管理方式，一个地物类对应于一个属性表文件，而且所有属性文件都在工程的目录下，即是说不同工作区相同的地物类型的属性是放在一起的，这样便于属性的工程管理，在工程中查找某一属性要快速得多。

GeoStar的属性管理模式，它结合前两者的优点。在GeoStar中，可以设计成一个地物类为一个属性表，也可以是多个地物类公用一个属性表，这样会带来许多方便。4.5空间数据的组织地理信息系统空间数据库工程工作区1工作区2工作区3空间地物专题1专题2专题3专题地物结点、点状地物线状地物面状地物类1类2……类3类5类6……类4类5类7……类1类2类3类4类5类6弧段类7类8位置XYZ栅格注记地理信息系统空间数据库4.6空间索引4.6.1概念

空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象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。地理信息系统空间数据库4.6空间索引4.6.2目的

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，排除大量与特定空间操作无关的空间对象，从而提高空间操作的速度和效率。地理信息系统空间数据库1、对象范围索引在记录每个空间对象的坐标时，记录每个空间对象最大最小坐标。这样在检索空间对象时，根据空间对象的最大最小范围，预先排除那些没有落入检索窗口内的空间对象，仅对那些最大最小范围落在检索窗口的空间对象进行进一步的判断，最后检索出那些真正落入窗口的空间对象。4.6空间索引4.6.3方法地理信息系统空间数据库4.6空间索引4.6.3方法地理信息系统空间数据库4.6空间索引2、格网索引

将工作区按一定的规则划分成格网，然后记录每个格网内所包含的空间对象。为了便于建立空间索引的线性表，将空间格网按Morton码或称Peano键进行编码，建立Peano键与空间对象的关系。地理信息系统空间数据库4.6空间索引2、格网索引

地理信息系统空间数据库3、四叉树索引有两种索引：线性四叉树和层次四叉树。4.6空间索引地理信息系统空间数据库线性四叉树索引地理信息系统空间数据库

层次