空间数据库全面版

绪论数据:客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述空间:一系列结构化物体及其相互间联系的集合数据库是指按照一定数据模型组织、描述和长期储存在计算机内可共享的数据集合。空间数据以地球表面空间位置为参照，描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数空间数据描述与特定空间位置有关的真实世界对象的数据集合空间数据模型可支持现实世界中的空间实体的表达及其相互是'地理信息系统进行空间数据组织与空间数据设计的理论基础。空间数据组织管理基于文件管理、文件与关系数据库混合管理、关系数据库管理、面向对象数据库管理和）据库管模型现状三维数据结构基于体描述和基于面表示的数据模型及三维矢量、栅格、混合与面向对象的数;数据模型种类层次模型、网络模型、关系模型（传统数据模型象数据模型与面向实体数据模型。空间数据的特性时间性、空间性、多维性和海量数据性。地理空具有空间参考信息的地理实体或地理现象发生的时空位置集。空间数撼地球表面空间位置为参照用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的1空间数握对现实世界中的空间特征和过程的抽象表达，用来描述现实世界的目标位记录地理空间的几何特征和时间特征其中拓扑特征和位置特空间数据特有的特征。空间数据描述与特定空间位置有关的真实世界对象的数据集合空间数据类型形数据、地图数据、影像数据与属性数据。空间数据的特征寸空特征、多维特征、多尺度特征和海量数据量特征。空间数据的空间特间实体的空间位置及其与其他空间实体的空间关系，指明地物在地理空间的位置。空间特征是空间数据基本的特征是指空间数据记录地理空间实体对象的空间分布位置和几何形状诸多空间彳空间数据库的作用①空间数据处理与更新；②海量数据储存与管理；③空间分析与决策；④空间信息交换面向对象空间数据库的特点适合空间数据的管理与表达，不仅可以支持变长记录，而且支持对象的嵌套、与聚集；此外，允许用户自定义对象和对象的数据结构及其数据库的特数据记录是结构化的，即满足关系数据模型的第一范式要求，记录定长，数据项表达只能是原子数据，不允许嵌套记录，但是空间数据项可能是嵌套记录的要求面向对象空间数据库与全关系型数据库的区别）空间数据库的发展历史与现空间数据库的发展网地纪50年代后期到D年代中期：文件管理系统世纪70年代：完成对空间数据库，g0年代：关系数据管理系统BMS-20世纪30年代后期到0年代初期：面向70年代：完成对空间数据库，对象数据模型的空间数据0世纪90年代中后期：空间数据库引DK（②空间数据库发展现状：第一，空间数据管模式：五+面向对象空间数据库管理全关系型数据库管理特点；第二，空间数据模型现状：二维空间数据技术当成熟，而三维数据结构是目前的研究热点空间数据库存在的问题数据共享问题；②数据“瓶颈”问题；③数据安全问题。空间数据库特征）综合抽象特征：②非结构化特性；③分类编码特征；④复杂性与多样性。空间数据库与传统的差异信息描述差异；②数据管理差异；③数据操作差异；④数据更新差异；⑤服务应新型数据库系统包括：分布式数据库管理据统管理系统、数据通信子系统、全局数据字典分布式数据库管理^8系统专家数据库、演绎数据库、多媒体数据库、工程数据库第二章空间现象抽象表达空间认知是指对现实世界中的空间属性包括位置、大小、距离、方向、形状、模式、运动和物体内部关系的取、处理、储存、传递和解译空间信息来获取空间认知的过程。空间类表现形式物理空间、感觉运动空间、感知空间、符号空间与认知空间。空间认知模型空间特征感知、空间格局感知和空间对象认知。地理空间认知是指在日常生活中人类如何逐步理解地理空间，进行地理分析与决策一序列心理过程（包括编码、储存、记忆和解码诸多方面质是对地理事现象或地理空间实体的编码、内部表达和解码的过程。地理空间认知的研究内容包括对地理事物在地理空间中位置和地理事物本身性质。（了解）地理认知研究主要包括地理知觉、地理表象、地理概念化、地理知识的心理表征和地理空间推理取、储存和使用。现实世界认知过程涉及三个现#世界、概念世界和数字世界。空间模饕指对现实世界中的实体或现象时的抽象或简体或现象中最重要的构成及其相互关系的表达，物的固有特征及其相互联系或运动变化规律。

地理信息系统是指以数字形式表达现实世界，是对特定地理环境的抽象个综合性表达。地理信息系（BIS）空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个不同层次组成；其中是关于实体和实体间联系的抽象概念集；逻辑数据模型是表达概念数据模型中实体或记录及其之间关系的；描述数据在计算机中的物理组织、储存路径和数据库结构。空间实催指在空间数据中不可再分的最小单元现象；基本空间实体分为点、线、面与体空间实体可抽象为简单实体和复杂空间;数据不仅能够表示实体本身的空间位置以及形态表示实体属性和空间关系的信息、建立在二维平面上的矢量数据模型是；领域应用最广泛的，与传统地图表达最为接近的空间数据模型；矢T调离散现象的存在，把现实世界中空间实体抽象成由平面点、线、面三种基本空间目标组成的。矢量数掘离散化方法将现实世界中空间实体抽象成由平面上点、线和面三种基本空间目标组成时所形成I矢量结构的空间离散将面或区域化为边界线，线化为系列点，最终以离散点坐标及连接方式来定义空间位矢量模型以构成现实世界空间目标的边界来表达空间实体即用点、线和面（闭合的线）来刻画所关注的空间位置及其几何关系间位置采用点坐标表达，有序组织属性数瘢与空间特征数据共同描述地理事物及其相互关而空间实体的几何属性是通过点坐标计算获取的。矢量模型的优能够方便表达空间实体之间的拓扑空间关系，图形精度高，数据储存量小，容易定义和操作便实体坐标变换与距离计算诸多内容，但其缺点是缺乏与遥感以合的能力，难以处理叠置操作。矢量数据结构用欧几里得几何距离空间点、线、面以及组合体来表示地理空间实体的一种数据组织方式;坐标的方式表示点、线、面诸多地理实体，其主要特点是定位明显和属性隐含。矢量数据^H要有Spaghetti面条）结构和拓扑矢量数据结构；前者特点：①数据按点、线或多边形为单^易于实现以多边形为单元的运作，数据编码直观，数字化后无需进行大量编辑整理即可方便进行显示；②每闭合线段储存，多边形的公共边界被数字化两次和储存两次，线在数据库中被记录两次，造成数据冗余；③各自的坐标数据，每一个多边形自成体系，但缺少有关拓扑关系的信息；④多边形公共边界的两次输入，击造成数据结构的破坏，引起严重匹配误差he⑤结构无法解决“洞”和“岛”之类的多边形嵌套问题，岛只能一图形处理，没有与外界多边形有关系，难以表达与多边形的包含关系。拓扑矢量数据结据拓扑几何学原理进行空间数据组织的方理信息系统中多边形结构是拓扑矢量数据结构的具现，拓扑数据结构的关键是拓扑关系的表示（结点拓龌栽拓扑关系-结点与链面，多边形拓扑关系：面链。后者特点：①一个多边形和另一个多边形之间没有坐标的重复，即消除重复线；②拓扑信息与空间坐木于进行邻接、包含和相连诸多查询操作；③拓扑表必须在一开始就要创建，需要花费一定的时间与空间；④为图形显示需要的是空间坐标而非拓扑结构。注：是否采用拓扑矢量结构模型主要考虑数据适用于分析还是最基本的拓扑关系:联、邻接和包含。栅格数掘续空间离散化，将地理空间区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成大小均匀'阵列，每一网格作为一个像元，地理实体由占据像元的横排与竖排的位置决定而构成的数据。栅格数据模型续空间离散化，将地理空间区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成大小均网格阵列，每一网格作为一个像元，地理实体由占据像元的横排与竖排的位置决定。栅格数据取值的方泱心归属法、面积占优法、长度占优法和重要性法；栅格数据储存方法五种：全栅格;编码、行程编码、块式编码和四叉树编码；矢量数据编码方法四种：实体式编码、索引式编码、双重独立式立式编码。第三章空间数据模型空间关繇间目标之间在一定区域上所构成的与空间特征有关的联系T；分为拓扑顺序关系和度量关系三种。面向对象数据模型面向对象的概念模型转化为面向对象数据库模式的方法和工具的总和；其涉及四个抽象"括、聚集和联合以及继承和传播两个语义模型工具；此外对象间关系可分为组合关系、分类关系和关联关系面对对象数据模型基本对象、类、实例、消息以及属性和方法；面向对象数据模型核心技术：分类、概括合、继承和传播。4.Geodataba窿间对象4.Geodataba窿间对象1模型向对象的数据模型，对象储存在特征类（空间）和非特^^eodatasase示地理数据库，ibms诸存地理信息，即包含地理数据的关系数据库切是指建立在关系数据管理系）统（基础上，把地理特征和属性表达为对象的统一的空间数据库。Geodataba薮心模型结构:作空间、数据集、对象、对象类、要素、要素类、要素数据集、关系类、地理数几何网络。TIN模型由不规则分布的数据点连成的三角网组成，三角形的形状和大小取决于不规则分布点或者结点密度三角形的空间镶嵌模型。TIN根据实现过程常用篡要有三种：逐点插入法、分治算法和三角形生长法。TINE角形生长法的基本思路：首先找出点集中相距最短的两点，连线形成一条狄三角网的边，然后按照狄洛尼cfelaun珈三角网的判别法则找出包含此边的狄珞尼（三角网的另一端点，依次处理所生成的边，直:终将所有数据点处理完。三维空间数据模型据现有空间构模方法归纳为基于面模、基于体模型和基于混合模型三大构模体系；但根可归纳为四类：三维矢量模型、三维体元模型、混合或集成数据模型和面向实体数据模型。四面体网络是指将目标空间用紧密排列但无重叠的不规则四面体形成的网格表示三维物体T«）模构在其实方3D空间的扩展。八叉树是指将所要表示的三维1空间］Y、Z三个方向从中间进行分割，分割成八个立方体，然后根据每个立方彳所含的目标来决定是否对各立方体继续进行八等分直划分到，每一立方体被一个目标所充满或没有目标或其大为预先定义的不可再分的体素为止。第四章空间数据组织与管理数据是指对描述现实世界中各种具体事物或抽象概念的可储存并具有明确意义的信息。文件是数据储存和组织的一种最基本的方法，在文件管理系统中，数据按其组织成分分为三个级别：数据数据库管理系«BM9是文件管理系统的基础上进一步发展的系统，是指位于用户与操作系统之间进行数据管理控制的软件；数据库管理系统是数据库的中心枢纽，在用户应用程序和数据文件起到桥梁作用，用户/序对数据库的操作全部通过进行，其最大的优点是提供用户及其应用程序与数据文件两者之间数据独立性即问数据文件时无需知道数据文件的物理储存结构。空间数据库系统D龄通常是指带有数据库的计算机系统，采用现代数据库技术管理空间数据的数据库管理将，空间数据库系统不仅包括相应的计算机硬件系统、操作系统、计算机网络结构、数据库管理系统、空间理空间数据库和空间数据库管理人多组成的一个运行系统。地理空间数据库管理系统如何进行空间数据的管理？地理空间数据库管理系统将分幅、分层、分要素、分据进行统一管理，以便于空间数据的维护、更新与分发及应用。建立空间数据库的目的：将相关数据有效的进行组织，并根据其地理分布建立统一的空间索引，进而可以任意范围的数据。达到对整个地形的无缝漫游，根据显示范围的大小可以方便的自动调入不同层次的数据。空间数据组织管理方式五种：文件管理、文件与关系数据库混合管理、全关系型数据库管理、面向实体数关系数据库管理。空间数据引擎DE是指用来解决如何在关系数据库中储存空间数据，实现真正的数据库方式管理空间数据据服务器的方法。空间数据引擎工作原理：空间数据引擎在用户和异构空间数据库的数据之间提供一开放的接口，是一种处库管理系统之间的中间件技术客户端发出请求，SDB服务器端处理这个请求，转换成为处理的请求事务，由DBMS处理完成相应的请求8服务器端再将处理的结果实时反馈的客户端。空间数据引擎的作用：①与空间数据库联合，为任何支持的用户提供空间数据服务；②提供开放/的数据访问跨任何同构或异构网络，支持分布式的统③DE对外提供空间几何对象模型，用户可在此模型额基础之上建立何对象，并对其操作；④快速的数据提取^i分K；SS接BMS数据库的接口，其他的一切SB及与据库进行交互的操作都是在此基础之上完成的；⑥与空间数据库联合可以管理海在空户与物理数据的远程储存之间构建一抽象层，允许用户在逻辑层面上与数据库交互；⑦无缝的数据管理，实现空间数据与属性数据统一管理;空间数据与属性数据的连接四种基本方式：数据库管理系统图形数据…属性数据、数据库管理系统（扩月能）f商用数据库图形数据与属性数据、数据库管理系统以图形数据与属性数据为系统单位和空间数据库管库管理系统分别对图形数据与属性数据进行管理连接。空间数据组织方式两种：纵向分层组织和横向分层组织，横向分块方式：标准经纬度分块、矩形分块和《块。三维空间数据的组织采用三维金字塔式数据组织；栅格金字塔结构是指对二维影像进行低通滤波，通过土形成影像像元数依次减小的影像序列；栅格数据组织形式：栅格目录、栅格数据集；栅格数据储存结构：栅存采用“金字塔层段数据分块”的多级索引机制进行组织，金字塔引表现为栅格数据在垂直方向上多尺度、波段的组织形式，而金字塔据分块索引表现为水平方向上多分辨率、分块储存的组织形式，基于这种多级索使用栅格数据进行分析时可快速定位到数据分块级，有效的提高栅格数据的存取速度。第五章空间数据索引技术空间索引是指在储存空间数据时依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的空间关系，按一定顺序排列传统的数据库索引技术有钏、二叉树SA噂引以及哈希索引诸多索引技术，其都是针对一维属性数据的主索引设计的，无法对空间数据进行有效的索引，因此不能直接应用于空间数据库的索引；目前存在的空间索可概括为树结构、线性映射和多维空间区域变换三种类型，基于应用范围可分为静态索引和动态索引，典型括R树索引、四叉树索引和网格索引诸多索引技术。网格空间索引的基本原瘗间目标实体集合所在的空间范围划分一系列的大小椭基于网格建立空间索引，并在每一网格索引登记落入此网格空间对象的目标标识。R树索引是采用空间聚集的思想建立的空间树用空间对象的最小外包络岫表示对象的范围，矩形是广义的概念R树以及众多变种树都是平衡树利廊树本质特性处理多维数据,叶子结点允许重叠现象存在；其特点:①除根结点外，每叶子结点包含条索引记录；②一个叶子结点上记录每条索引&标识徇是MBR在空间上包含所指元组表达的空间对象？③除根结点外，每个中间隹个子结点，至小个子结点；④对于非叶子结点中的每条目是空间上包含其子结点中矩形惬若根结点非叶子结点，则至2个子结点；⑥所有叶结点出现在同一层；⑦所有BR的边与全局坐标轴平行；⑧所有结点都需要同样的储存空间:；中间结点的目录矩形之间不能重:结点中的数据项和索引项的数据没有严格限制，叶结点中的数据矩形允许并可能重叠，一个空间对象标识可结点之中，但其主要特征是在兄弟结点对应的空间区域没有重叠，这样划分空间可以使空间检索的效率提高树的区别主要有三点:树的结点中对数据项和索引项的填充个数没有严格树要求至少矶；②树中间结点的目录矩形不允许重叠，树目录矩形允许重叠树中空间目标标识重复存储在多个叶R树无目标重复存储；树的特点:树在结构上与树完全相同，在树的构造、插入、删除、检索算法上基本相同，但在算法上做了许特别在插入算法方面作了较多改进，显著提高性能。线性可排序四叉树是指一种扩展型四叉树索引，其与传统四叉树索引的不同之处有两点：①四叉树结点编点与空间要素的对应关系不同；线性可排序四叉树的编码方式：首先将四叉树分解为二叉树，即在父结点层入一层虚结点，虚结点不用记录空间要素，然后按照中序遍历树的顺序对结点进行编码，包括加入的虚结点树的缺点：当四叉树结构发生变化时，如果向下再划分一层，则必须给所有的结点重新编码，即重新构造索第六章空间数据查询、访问对空间数据的管理和分析能力成为衡量地理信息系统的一个属性邮询目前许歙件提供的是常用的关系数据库结构化查询谱言）,（其主要的缺点§0£只提供对简单数据类型的操作；②不能有效的支持空间查询和③不支持空间概念特别是空间关系对象的查询结果不能用空间图形的方式有效地显示给用户寺元数据查询、知识查询、定性查询和基于图形对象的查询；其优点：①非过程化语言；②统一的语言；③所有关系数据库2.SQL语言是由命令、从句、运算符和合计函数所构成的，其功能包括查询、操纵、定义和控制四个方面，决用的、功能极强的关系数据库语言；根据语句功用又可细分为DL（数据库定义语、言）ML（数据库操纵语、言）DCL（数据库控制语。言）3.空间数据库管理系统作为一种扩展瞬该既可以处理空间数据，也可以处理非空间数据，、（因进行扩展;使它支持空间数据，其主要是通过扩展关系模型实现的。对关系模型扩展方面：①突破关系模型中关系必须是第一范式的限制，允许定义层次关系和嵌套关系；②和自定义数据类型（图形数据类型点、线、面、栅格、图像诸多抽象数据类健间谓词（表示空间关系的谓词：包含、相交诸多空间关系以及表示空间操作的谓词：叠加、缓冲;区诸多加适合于空间数据索引的方法（e.g:I树、四叉树诸多索引技术）一®理图形和属性数据即建立整体的空图形数据的储存和管理由扩展关实现，其具有的优势：①可以用一®理图形和属性数据即建立整体的空据据理可以间数据库系统结构，可以克服由关系型数据库相分离的系统结构所带来的一系列问题；②图形管理方面带来的优越性；③图形数据的关系化表达，使其服务邮优势。据据理可以6.SQL3/SQL是9指基^RDBM^t对象关系进行查询的关系型数据库的结构化查询3语言L定义的空间对象类型：维的点、1维的环、曲线维的面以及空间对象的定义表示元素形成的集合对象。空间查询类型有三种：点查询、区域查询和最邻近查询；空间查询处理的两步算法：过滤筛选步骤和细化涉及的技术：①过滤筛选过程的对象近似技术；②空间查询精炼步骤中的相关技术：平面扫描技术、对象分第七章不考第八章空间数据元数据与空间数据共享地理空间元数据与数据字典的主要区别：元数据是对于数据集本身及其内容的全面分层次规范化的描述，数据描述格式和内容都是相同的，因而可以用相同的管理系统对所有数据集的元数据进行管理与维护；而数据集中的部分内容，且没有统一的规范和标准，不同数据集生产者只是根据不同需求对数据集内容作出描述同的管理系统进行统一的管理和维护。空间元数据的分数据集系Mitadat^数据集etadaK要素类型和要素实ethdat和属性类型和属性旋侧data空间元数据的主要内容具个基本内容部分个引用部分；标准部分个内容：标识信息、数据质量信息、数据继承信息、空间数据表示信息、空间参照系信息、实体和属性信息、发行信息与空间元数据参考信息；引用时间范围信息、联系信息与地址信息。4•元数据是指关于数据的数据，用于描述数据的内容、质量、表示方式、空间参照系、管理方式、数据的所以及数据集的其他特征。空间元数据是指关于数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征的数据空间数据格式转换的内容包括三个方面：①空间定位信息，即几何信息，主要是实体的坐标；②空间关系间的拓扑或几何关系数据；③属性信息，几何实体的属性说明数据。空间数据交换方式有四种方式：①外部数据交换模式；②直接数据访问模式；③基于空间数据转换标准的互操作模式。第九章空间数据库设计空间数据库的设计原则：①空间数据库设计应与应用系统设计相结合的原则；②数据独立性原则；③共享则；④用户与系统的接口简单性原则；⑤系统的可性