空间数据模型

空间数据模型第一页，共七十页，2022年，8月28日第二章空间数据模型第一节数据模型第二节空间数据模型第二页，共七十页，2022年，8月28日3数据（data）是描述事物的符号记录。模型（Model)是现实世界的抽象。数据模型（DataModel）是数据特征的抽象，是数据库管理的数学形式框架。第一节数据模型第三页，共七十页，2022年，8月28日4第一节数据模型数据模型建立的目的：揭示空间实体的本质特征，并对其进行抽象化，使之转化为计算机能够接受和处理的数据形式。能够对空间数据进行统一管理帮助用户查询、检索、增加、删除和修改数据保障空间数据的独立性、完整性和安全性第四页，共七十页，2022年，8月28日5数据模型所描述的内容包括三个部分：第一节数据模型数据结构数据操作数据约束第五页，共七十页，2022年，8月28日61）数据结构:描述数据的类型、内容、性质以及数据间的联系等。数据结构是数据模型的基础，数据操作和约束都建立在数据结构上。不同的数据结构具有不同的操作和约束。第一节数据模型第六页，共七十页，2022年，8月28日72）数据操作:描述在相应的数据结构上的操作类型和操作方式。如关系数据模型中关系代数运算包括四类：集合运算、专门的关系运算、算术比较运算和逻辑运算。第一节数据模型第七页，共七十页，2022年，8月28日83）数据约束：数据模型中的数据约束主要描述数据结构内数据间的语法、词义联系、相互制约和依存关系，以及数据动态变化的规则，以保证数据的正确、有效和相容。第一节数据模型第八页，共七十页，2022年，8月28日数据模型按不同的应用层次分成三种类型：分别是概念数据模型逻辑数据模型物理数据模型9第一节数据模型第九页，共七十页，2022年，8月28日1、概念数据模型（ConceptualDataModel）：简称概念模型，是面向数据库用户的现实世界的模型，主要用来描述世界的概念化结构它使数据库的设计人员在设计的初始阶段，摆脱计算机系统及的具体技术问题，集中精力分析数据以及数据之间的联系等，与具体的数据管理系统无关。概念数据模型必须换成逻辑数据模型，才能在计算机中实现。10第一节数据模型第十页，共七十页，2022年，8月28日112、逻辑数据模型（LogicalDataModel）:简称数据模型，这是用户从数据库所看到的模型，是具体的DBMS所支持的逻辑模型，如网状数据模型、层次数据模型等等。此模型既要面向用户，又要面向系统，主要用于数据库管理系统的实现。第一节数据模型第十一页，共七十页，2022年，8月28日123、物理数据模型（PhysicalDataModel）:简称物理模型，是面向计算机物理表示的模型，描述了数据在储存介质上的组织结构，它不但与具体的DBMS有关，而且还与操作系统和硬件有关。每一种逻辑数据模型在实现时都有起对应的物理数据模型。DBMS为了保证其独立性与可移植性，大部分物理数据模型的实现工作由系统自动完成，而设计者只设计索引、聚集等特殊结构。第一节数据模型第十二页，共七十页，2022年，8月28日第二节空间数据模型定义：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。常用数据模型（逻辑数据模型）：层次模型；网状模型；关系模型；面向对象模型等。第十三页，共七十页，2022年，8月28日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。14一、层次模型第十四页，共七十页，2022年，8月28日层次模型的数据存储层次数据库中不仅要存储数据本身，还要存储数据之间的层次关系，应将两者的存储结合在一起。存储方法：邻接法（树遍历法）通用选择法一、层次模型第十五页，共七十页，2022年，8月28日A1B1B4B6C3C7C14C2C5C9C4C6C8A1C14B1C3C5C7B4C2C9B6C4C6C8...邻接法层次数据库及其实例邻接法（树遍历法）按照层次树前序穿越的顺序，把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来体现（或隐含）层次顺序。数据检索首先搜索双亲结点，然后搜索其子女结点。第十六页，共七十页，2022年，8月28日通用选择法通用选择法不依赖于客体在树状结构中的顺序，而是根据所确定的选择条件，在结构中选择某特定的客体。DRAWcoordinatesWHEREarcs=‘arc1’例如：从数据库中提取弧段arc1的坐标并显示第十七页，共七十页，2022年，8月28日优点：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陷：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18一、层次模型第十八页，共七十页，2022年，8月28日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。19系名化学系教师数学生数研究生系名地质系教师数49学生数257研究生71学校名称西北大学系名城资系教师数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姓名谢元礼年龄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A01二、网络模型第十九页，共七十页，2022年，8月28日网状模型的数据结构

网状数据库的存储结构中关键是如何实现记录之间的联系。常用的方法是链接法，包括单向链接、双向链接、向首链接等，此外还有其它实现方法，如引元阵列法、二进制阵列法、索引法等依据具体系统不同而不同。网状数据库实例第二十页，共七十页，2022年，8月28日21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陷：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）二、网络模型第二十一页，共七十页，2022年，8月28日22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。点三、关系模型第二十二页，共七十页，2022年，8月28日1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y623点三、关系模型第二十三页，共七十页，2022年，8月28日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。三、关系模型第二十四页，共七十页，2022年，8月28日关系模型中，实体及实体间的联系都是用关系来描述的，那么在两个或两个以上的关系间就自然存在引用。三、关系模型第二十五页，共七十页，2022年，8月28日优点：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26三、关系模型第二十六页，共七十页，2022年，8月28日三种传统数据模型的比较第二十七页，共七十页，2022年，8月28日标准DBMS存储空间数据的局限性空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定;在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷;一般难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作28四、面向对象的模型第二十八页，共七十页，2022年，8月28日不能支持复杂的图形功能;如特征提取、影像分割等。单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持;难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护;29四、面向对象的模型第二十九页，共七十页，2022年，8月28日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。30四、面向对象的模型第三十页，共七十页，2022年，8月28日基本概念

（1）对象：是对客观世界实体的抽象描述和模型化，与记录、元组等概念相似。由数据和对数据的操作组合而成。31四、面向对象的模型第三十一页，共七十页，2022年，8月28日对象的两个特征：状态性：通过域来描述，可称为私有存储单元。封装性：表现为它的私有存储单元只能由它自己的功能进行处理。32四、面向对象的模型第三十二页，共七十页，2022年，8月28日（2）消息：是对象之间通信的唯一手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。公有消息：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。私有消息：消息是由它自己向自身发送。33四、面向对象的模型第三十三页，共七十页，2022年，8月28日（3）类：是对一组对象共同特性的抽象描述。（4）实例：是由一特定类描述的具体对象。实例的总和为类。（5）方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。34四、面向对象的模型对象还涉及到分类、概括、聚集、联合、继承和传播等概念。第三十四页，共七十页，2022年，8月28日运用上述面向对象的概念和方法，就可以建立起地理信息系统中空间数据库的对象数据模型。

OpenGIS协会推荐了一种空间对象数据模型。四、面向对象的模型第三十五页，共七十页，2022年，8月28日OGC定义的对象模型：第三十六页，共七十页，2022年，8月28日几何对象的中英文对照：英文中文含义解释Point点一个点Curve曲线1维几何基形，表示一条线的连续影像。Line线只有一个起点和一个终点，可以是折线或者解析线。Surface曲面是一个2维几何对象,由一个简单碎片（patch）组成,该碎片(patch)与一个外部边界和0个或更多的内部边界相联系。Polygon多边形由若干条线构成MultiPoint多点由多个点构成MultiLine多线由多条线构成MultiPolygon多多边形由多个多边形构成第三十七页，共七十页，2022年，8月28日简单几何特征集关系

四、面向对象的模型第三十八页，共七十页，2022年，8月28日OGC定义的对象模型：第三十九页，共七十页，2022年，8月28日1.Geometry是几何对象层次模型的根类，抽象类（不可实例化）几何对象说明：第四十页，共七十页，2022年，8月28日Dimension():Integer—TheinherentdimensionofthisGeometryobject,whichmustbelessthanorequaltothecoordinatedimension.Thisspecificationisrestrictedtogeometriesintwo-dimensionalcoordinatespace.GeometryType():String—ReturnsthenameoftheinstantiablesubtypeofGeometryofwhichthisGeometryinstanceisamember.ThenameoftheinstantiablesubtypeofGeometryisreturnedasastring.SRID():Integer—ReturnstheSpatialReferenceSystemIDforthisGeometry.Envelope():Geometry—TheminimumboundingboxforthisGeometry,returnedasaGeometry.Thepolygonisdefinedbythecornerpointsoftheboundingbox((MINX,MINY),(MAXX,MINY),(MAXX,MAXY),(MINX,MAXY),(MINX,MINY)).AsText():String—ExportsthisGeometrytoaspecificwell-knowntextrepresentationofGeometry.Methods：第四十一页，共七十页，2022年，8月28日AsBinary():Binary—ExportsthisGeometrytoaspecificwell-knownbinaryrepresentationofGeometry.IsEmpty():Integer—Returns1(TRUE)ifthisGeometryistheemptygeometry.Iftrue,thenthisGeometryrepresentstheemptypointset,Æ,forthecoordinatespace.IsSimple():Integer—Returns1(TRUE)ifthisGeometryhasnoanomalousgeometricpoints,suchasselfintersectionorselftangency.Thedescriptionofeachinstantiablegeometricclasswillincludethespecificconditionsthatcauseaninstanceofthatclasstobeclassifiedasnotsimple.Boundary():Geometry—ReturnstheclosureofthecombinatorialboundaryofthisGeometry.Methods：第四十二页，共七十页，2022年，8月28日2.GeometryCollection一个或多个Geometry对象的集合NumGeometries():Integer—ReturnsthenumberofgeometriesinthisGeometryCollection.GeometryN(N:integer):Geometry—ReturnstheNthgeometryinthisGeometryCollection.Methods：第四十三页，共七十页，2022年，8月28日3.Point0维几何对象，表示空间中的一个单个的位置信息由X，Y坐标组成边界是空集X():Double—Thex-coordinatevalueforthisPoint.Y():Double—They-coordinatevalueforthisPoint.Methods：第四十四页，共七十页，2022年，8月28日4.MultiPoint0维几何对象的集合其元素必须为Point边界是空集如果没有任何的两个点等同，则MultiPoint是简单的Methods：NumPoints():Integer—ThenumberofpointsinMultiPoint.PointN(N:Integer):Point—ReturnsthespecifiedpointNinthisMultiPoint.第四十五页，共七十页，2022年，8月28日5.Curve1维几何对象有序点的集合如果没有经过同一点两次，则Curve是简单的如果起点和终点等同，则Curve是闭合的如果Curve是简单并且闭合的，则它是一个环（Ring）一个没有闭合的LineString的边界是它的两个端点第四十六页，共七十页，2022年，8月28日Length():Double—ThelengthofthisCurveinitsassociatedspatialreference.StartPoint():Point—ThestartpointofthisCurve.EndPoint():Point—TheendpointofthisCurve.IsClosed():Integer—Returns1(TRUE)ifthisCurveisclosed(StartPoint()=EndPoint()).IsRing():Integer—Returns1(TRUE)ifthisCurveisclosed(StartPoint()=EndPoint())andthisCurveissimple(doesnotpassthroughthesamepointmorethanonce).Methods：第四十七页，共七十页，2022年，8月28日6.LineString，Line，LinearRingLineString是Curve的子类，在两个端点之间采用了线性插值（即每一对连续的点都是直线）Line是只有两个点的LineStringLinearRing是一个闭合的，简单的LineSting第四十八页，共七十页，2022年，8月28日NumPoints():Integer—ThenumberofpointsinthisLineString.PointN(N:Integer):Point—ReturnsthespecifiedpointNinthisLinestring.Methods：第四十九页，共七十页，2022年，8月28日7.MultiCurve1维几何对象的集合，其元素都是Curve是不可实例化的类如果其所有元素都是简单的，并且任何两个元素的交集仅在两个元素的边界上，则MultiCurve是简单的。边界由元素的边界的序号为奇数的点组成如果所有元素都是闭合的，则MultiCurve也是闭合的，边界为空集。第五十页，共七十页，2022年，8月28日IsClosed():Integer—Returns1(TRUE)ifthisMultiCurveisclosed(StartPoint()=EndPoint()foreachcurveinthisMultiCurve)Length():Double—TheLengthofthisMultiCurvewhichisequaltothesumofthelengthsoftheelementCurves.Methods：第五十一页，共七十页，2022年，8月28日8.MultiLineString所有的元素都是LineString第五十二页，共七十页，2022年，8月28日9.Surface2维几何对象简单Surface：由Patch组成，一个外圈，0或多个内圈简单Surface的边界由相关它的外圈和内圈的闭合Curve组成。第五十三页，共七十页，2022年，8月28日Area():Double—TheareaofthisSurface,asmeasuredinthespatialreferencesystemofthisSurface.Centroid():Point—ThemathematicalcentroidforthisSurfaceasaPoint.TheresultisnotguaranteedtobeonthisSurface.PointOnSurface():Point—ApointguaranteedtobeonthisSurface.Methods：第五十四页，共七十页，2022年，8月28日10.Polygon平面的Surface有一个外圈和0或多个内圈Polygon是拓扑闭合的Polygon的边界是由一组形成外边界和内边界的LinearRing组成在Polygon的边界中，任意的两个LinearRing都不是相互穿越的Ploygon不能由切线、峰值和穿孔每个Ploygon的内部是连续的点集有一个和多个“岛”的Ploygon的外部是不连通的，每个岛定义一个Polygon的外部的连通分量Polygon是一个规则的、闭合的点集，是简单的几何对象第五十五页，共七十页，2022年，8月28日第五十六页，共七十页，2022年，8月28日ExteriorRing():LineString—ReturnstheexteriorringofthisPolygon.NumInteriorRing():Integer—ReturnsthenumberofinteriorringsinthisPolygon.InteriorRingN(N:Integer):LineString—ReturnstheNthinteriorringforthisPolygonasaLineString.Methods：第五十七页，共七十页，2022年，8月28日11.MultiSurface2维几何对象的几何，其元素都是Surface任意两个Surface内部都不可以相交任何两个元素的边界可以相交与有限的点不可实例化，其可实例化的子类是MultiPolygon第五十八页，共七十页，2022年，8月28日Area():Double—TheareaofthisMultiSurface,asmeasuredinthespatialreferencesystemofthisMultiSurface.Centroid():Point—ThemathematicalcentroidforthisMultiSurface.TheresultisnotguaranteedtobeonthisMultiSurface.PointOnSurface():Point—APointguaranteedtobeonthisMultiSurface.Methods：第五十九页，共七十页，2022年，8月28日12.MultiPloygon2维对象的集合，所有元素都是Ploygon任何两个元素的内部是不能相交的任何两个Polygon的边界不能相互穿越但可以相交于有限的点是拓扑闭合的不可以由cutlines（切线），spikes（峰值）和punctures（穿孔），是规则的、闭合的点集有多于一个的Ploygon的MultiPolygon的内部不连通，MultiPolygon内部的连通分量的编号等于MultiPolygon中Polygon元素的编号第六十页，共七十页，2022年，8月28日第六十一页，共七十页，2022年，8月28日面向对象数据库系统的实现方式：面向对象的数据模型从概念上将人们对GIS的理解提高到了一个新的高度。一方面，它巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。另一方面，面向对象数据模型在表达和处理属性数据时，又具有许多独特的优越性。62第六十二页，共七十页，2022年，