地理信息系统 第五章 空间数据组织与管理

地理信息系统第五章空间数据组织与管理2023/3/14西北大学城市与资源学系1第一页，共五十页，2022年，8月28日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）第二页，共五十页，2022年，8月28日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、数据的层次单位第三页，共五十页，2022年，8月28日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，不能孤立存在第四页，共五十页，2022年，8月28日二、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第五页，共五十页，2022年，8月28日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、常用数据文件第六页，共五十页，2022年，8月28日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、常用数据文件第七页，共五十页，2022年，8月28日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、常用数据文件第八页，共五十页，2022年，8月28日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)原始信息数据库第九页，共五十页，2022年，8月28日。。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第十页，共五十页，2022年，8月28日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/内部映射数据库的系统结构外部模式外部模式概念模式内模式第十一页，共五十页，2022年，8月28日

（1）用户级用户使用的数据库对应于外部模式，它是用户与数据库的接口，也就是用户能够看到的那部分数据库，它是数据库的一个子集。（2）概念级概念数据库对应于概念模式，简称模式，是对整个数据库的逻辑描述，也就是数据库管理员看到的数据库。（3）物理级物理数据库对应于内模式，又称为存贮模式，内模式描述的是数据在存贮介质上的物理配置与组织，是存放数据的实体，也是系统程序员才能看到的数据库。

第十二页，共五十页，2022年，8月28日数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。

数据库管理系统第十三页，共五十页，2022年，8月28日数据库管理系统

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

提供书写各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。它勾画出数据库的框架。第十四页，共五十页，2022年，8月28日数据库管理系统

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数据库a)键盘输入；b)接受另一个系统的数据文件第十五页，共五十页，2022年，8月28日数据库管理系统

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、更新数据完整性、有效性数据公享第十六页，共五十页，2022年，8月28日数据库管理系统

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性能监督与分析数据库整理故障恢复第十七页，共五十页，2022年，8月28日数据库管理系统

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处理各种语言接口远程操做接口处理第十八页，共五十页，2022年，8月28日DBMS组成语言处理程序运行控制程序建立与维护程序数据描述语言（DDL）数据操作语言（DML）终端命令解译系统控制数据存取数据更新并发控制数据完整性数据装入性能监控工作日志重新组织数据转储系统恢复SQL语言：数据查询DataQuery数据定义

DataDefinition数据操纵

DataManipulation数据控制DataControl第十九页，共五十页，2022年，8月28日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)应用程序对数据库的访问第二十页，共五十页，2022年，8月28日数据组织层次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。1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。2记录：由若干相关联的数据项组成。3文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。4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。

第二十一页，共五十页，2022年，8月28日数据间的逻辑联系

数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。1、一对一的联系(1：1)2、一对多的联系(1：N)3、多对多的联系(M：N)

A

BAB第二十二页，共五十页，2022年，8月28日数据模型

数据模型是数据库系统中实体与实体之间的联系方式，是衡量数据库能力强弱的主要形式之一。每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，面向对象模型。第二十三页，共五十页，2022年，8月28日层次数据库模型

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。

第二十四页，共五十页，2022年，8月28日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第二十五页，共五十页，2022年，8月28日网络数据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。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A01第二十六页，共五十页，2022年，8月28日网络数据模型优点：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）第二十七页，共五十页，2022年，8月28日关系数据库模型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。点第二十八页，共五十页，2022年，8月28日关系数据模型优点：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第二十九页，共五十页，2022年，8月28日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。第三十页，共五十页，2022年，8月28日对象：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。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。对象具有封装性和继承性，涉及到分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联合（association）、继承（inheritance）和传播（propagation）等概念。基本概念

第三十一页，共五十页，2022年，8月28日基本概念协议：是一个对象对外服务的说明。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。第三十二页，共五十页，2022年，8月28日基本概念概括：是把一组具有相同特征和操作的对象归纳在一个更一般的超类中。联合：是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集合对象。如西安市是新城区、雁塔区、碑林区等区的联合。又联合关系的对象叫成员。聚集：是类似于联合的抽象化概念，不强调整个对象的具体细节，例如建筑物是墙、窗、门、房顶和楼板几部分的聚集。传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。例如西安市大学生数量可以由各个大学的学生数求和派生得到。第三十三页，共五十页，2022年，8月28日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。第三十四页，共五十页，2022年，8月28日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。

第三十五页，共五十页，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。目前，采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三种实现方式：扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS

第三十六页，共五十页，2022年，8月28日吉奥之星中的空间对象模型

第三十七页，共五十页，2022年，8月28日空间数据库概述空间数据库定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合特点：数据量特别大属性数据和空间数据联合管理数据应用范围广泛空间数据库的数据特征1空间特征2非结构化特征3空间关系特征4多尺度与多态性5分类编码特征6海量数据特征第三十八页，共五十页，2022年，8月28日

传统数据库与空间数据库的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第三十九页，共五十页，2022年，8月28日矢量数据管理方案基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案基于关系式数据库的空间数据管理方案基于对象—关系式数据库的空间数据管理方案。第四十页，共五十页，2022年，8月28日文件关系数据库混合管理方案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，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语言数据库开发数据库开发第四十一页，共五十页，2022年，8月28日全关系式数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式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第四十二页，共五十页，2022年，8月28日

对象关系数据库管理方案对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型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，没有解决数据的嵌套纪录问题

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）第四十三页，共五十页，2022年，8月28日栅格数据的管理基于文件的影像数据库管理文件结合数据库影像管理基于关系数据库管理第四十四页，共五十页，2022年，8月28日目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是采用文件管理方式来管理遥感影像数据缺点：无法应付数据的安全性、并发控制和数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文件管理方式第四十五页，共五十页，2022年，8月28日影像数据按照文件方式组织管理在关系数据库中，每个文件都有唯一的标识号对应影像信息文件-数据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第四十六页，共五十页，2022年，8月28日关系数据库管理基于扩展关系数据库的影像数据管理是将影像数据存储在二进制变长字段中，然后应用程序通过数据访问接口来访问数据库中的影像数据，同时影像数据的元数据信息存放在关系数据库的表中，二者可以进行无缝管理。特点：所有数据集中存储，数据安全，易于共享较方便管理多数据源和多时态的数据支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享影像数据和元数据集成到一起，能方便的进行交互式查询对C/S的分布式应用支持较好，网络性能和数据传输