空间数据库课件

空间数据库SummarizationofSpatialDatabase空间数据库课程名称：空间数据库学时：

45学习方法：理论讲授与上机实践相结合考核：平时30-40%考查70-60%联系Email：zplcy@263.net授课教师：张鹏林名称：《空间数据库》编著：

吴信才出版：科学出版社教材信息地理空间数据库原理崔铁军编著科学出版社空间数据库(美)ShashiShekhar等机械工业出版社SPATIALDATABASESPhilippeRigaux等

MorganKaufmannPublishers其他有关《地理信息系统》和《数据库》的著作参考资料地理信息系统数据库空间数据库与其他课程的关系课程大纲数据库及空间数据库空间实体的抽象与表达空间数据模型空间数据的组织与索引空间数据查询与访问商用空间数据库系统Ch1数据库及空间数据库数据库系统回顾空间数据库新型数据库空间数据库举例1数据库管理系统回顾数据库基础知识什么是数据库?数据库系统的构成数据库系统的发展数据库中的数据模型什么是数据库?存储在计算机环境中的相互关连的数据集在这样的环境中，数据是永久的，也就是说它可以幸免于软件和硬件的问题（除非是磁盘崩溃）。大数据卷和持久性是数据库最大的两个特点。数据库的英文是DATABASE，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理数据的基地。Applicationprograms/queriesSoftwaretoprocessqueriesSoftwaretoaccessstoreddataStoreddatabaseStoreddatabasedefinitionmetadata一个简单的数据库系统环境DBMS数据库基础知识什么是数据库?数据库系统的构成数据库系统的发展数据库中的数据模型数据库系统的构成数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合；数据库管理系统是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作；数据库系统指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统。操作系统数据库管理系统应用软件、管理人员硬件数据库基础知识什么是数据库?数据库系统的构成数据库系统的发展数据库中的数据模型新型数据库系统数据库系统的发展层次数据库系统网状数据库系统层次数据模型网状数据模型关系数据库系统关系数据模型面向对象数据库系统面向对象数据模型数据库基础知识什么是数据库?数据库系统的构成数据库系统的发展数据库中的数据模型新型数据库系统数据库中的数据模型数据模型是客观事物及其联系的数据描述

主要的数据模型层次网状关系面向对象的数据模型约束数据模型数据模型实例以地图M为例：地图M中有两个面实体ⅠⅡ

Ⅰ多边形由a,b,e组成MⅡ多边形由b,c,d组成1a

a边的两个端点是1，2e

Ⅰ2b边的两个端点是2，44b

cc边的两个端点是2，3d

Ⅱd边的两个端点是3，43e边的两个端点是1，4层次模型例网络模型例关系模型例面向对象的几何数据模型Class

Mtuple(name:string,geometry:Region,polygons:set(Ploygon))Class

Ploygontuple(name:string,boundary:list(line))Class

Linetuple(name:string,geometry:line,points:set(Point))Class

Pointtuple(x:real,y:real)约束空间数据模型P1=<a,b,e>VP2=<b,c,d>a,b,c,d,e分别可用直线公式表示2空间数据库内容SpatialDataWhy？What？空间数据数据

是指客观事务的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述。空间数据

是对现实世界中空间对象（事物）的描述，其实质是指以地球表面空间位置为参照，用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等诸多方面信息的数据。空间数据特征空间数据具有三大基本特征：空间、时间和专题属性。空间特征空间特征是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地物的空间关系。时间特征

空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算得到的空间数据特征（Cont.）专题特征专题特征亦指空间现象或空间目标的属性特征，它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，如地形的坡度、波向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。此外，空间数据还具有多维、多尺度和海量等非空间数据所不具备的特征。内容SpatialDataWhy？What？Why?传统形式PapermapJournalExplanation…空间信息的新特点要求新的数字信息表达形式数据量大（如，每天采集的卫星影像在Tbyte范围）内在结构的复杂性特点Why?地理信息根据不同的应用和获取方式表现出多样性主要数据集GPSRSAerialphotographs…现存地图，综合已经存在的多种数字数据源而产生Why？与一般统计数据相比空间数据更复杂，表现在：数据类型多（几何数据、关系数据、辅助数据）数据操纵复杂一般数据检索、增加、删除等定位检索、拓扑关系检索等数据输出多样（数据、报表、图形）数据量大，空间数据种类多测量、统计数据、文字地图、影像等空间数据的非结构化特征事务数据库：数据记录一般是结构化的每一个记录有相同的结构和固定的长度，记录中每个字段表达的只能是原子数据，内部无结构，不允许嵌套记录空间数据：这种结构化不能满足要求地理实体的空间坐标：实体位置、大小形状拓扑关系空间数据的组织和管理不同于一般的事务性数据内容SpatialDataWhy？What？What？空间数据库的定义空间数据管理的发展过程空间数据库的内容空间数据库的研究内容什么是空间数据库

指以特定的信息结构（如国土、规划、环境、交通等）和数据模型（如关系模型、面向对象模型等）表达、存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。空间数据库定义地理空间数据与地理空间数据库地理空间数据指带有地理坐标的空间数据，包括资源、环境、经济和社会等领域的一切带有地理坐标的数据。是空间数据的一种特殊类型；GIS中的地理空间数据是对地理实体的空间特征和属性特征的数字描述注：本课程中我们不加区别的使用空间数据和地理空间数据What？空间数据库的定义空间数据库的内容空间数据库的研究内容空间数据管理的发展过程空间数据库系统地形要素数据库专题数据库数字正射影像图数据库数字高程模型数据库元数据库数字栅格地图数据库空间数据库的内容

数字栅格地图数据库（DRG）数字高程模型数据库（DEM）数字正射影像数据库（DOM）矢量地形要素数据库（DLG）专题数据库（TD）元数据库（MD）等高线道路水系境界居民地其它要素空间数据库系统

空间数据库概念模型示意图矢量地形图数据库

以矢量数据结构描述的水系、等高线、境界、交通、居民地等地形要素构成的数据库数字高程模型库

是定义在平面X，Y上规则格网点上高程数据集构成的数据库影像数据库

由各种航空航天遥感数据或经过扫描处理的影像数据构成的数字正射影像数据库数字栅格地形图

纸质地形图扫描后经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理得到数字数字栅格地图专题地图土地利用数据地籍数据规划管理数据道路数据文物保护数据等元数据

描述数据库/子库和库中个数字产品的元数据构成的数据库空间数据库系统历史数据库在线运行数据库成果数据在线数据DRGDEMDOMDLGTDMD成果管理数据库历史数据空间数据库的内容（Cont.）

What？空间数据库的定义空间数据库的内容空间数据库的研究内容空间数据管理的发展过程空间数据库的研究内容空间数据库的主要任务是研究地理空间物体的空间数据表达模型空间数据组织模型空间数据存储结构空间索引技术目的:以最小的代价高效地存储和处理空间数据;维护空间数据的现实性,一致性和完整性;为用户提供现实性好,准确性高,完备,开放和易用的地理空间数据空间数据查询访问技术What？空间数据库的定义空间数据库的内容空间数据库的研究内容空间数据管理的发展过程空间数据管理的发展过程人工管理阶段文件管理阶段文件与数据库系统混合管理阶段全关系型空间数据库管理系统对象关系数据库管理系统面向对象的数据库系统约束数据库系统人工管理阶段20世纪50年代中期数据不保存：计算机主要用于科技计算，不需要将数据长期保存，需要时输入数据；没有数据管理软件数据冗余：一组数据对应于一个程序；空间数据管理的发展过程人工管理阶段文件管理阶段文件与数据库系统混合管理阶段全关系型空间数据库管理系统对象关系数据库管理系统面向对象的数据库系统20世纪60年代中期把数据的存取抽象为一种模型，使用时给出文件名称、格式和存取方式等，其余的由文件管理系统完成文件系统阶段特点：数据冗余较大∵每个文件都是为特定的用途设计的

∴同样数据在多个文件中重复存储程序和数据之间的独立性较差，应用程序依赖于文件的存储结构，修改文件存储结构就要修改程序。对数据的表示和处理能力较差，文件的结构和操作比较单一，不够丰富。数据不一致，更新时会造成同一数据在不同文件中的不一致。数据联系弱，文件与文件之间是独立的，文件之间的联系必须通过程序来构造。文件系统阶段(Cont.)空间数据管理的发展过程人工管理阶段文件管理阶段文件与数据库系统混合管理阶段全关系型空间数据库管理系统对象关系数据库管理系统面向对象的数据库系统约束数据库系统20世纪70年代初期1981年ESRI推出第一个商用地理信息产品。真正有效地将地理空间技术和数据库集成于一个系统文件与数据库系统混合管理阶段OID 图形数据 属性数据 图形数据OID属性数据文件与数据库系统混合管理阶段(Cont.)用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据:属性数据存储在常规的RDBMS中；几何数据存储在空间数据文件系统中；两个子系统间用标识符联系起来（即通过关键字联系）。

图形用户界面

图形处理

图形数据文件库

属性用户界面

数据库管理系统

属性数据库用户界面C语言C或ODBC

图形处理数据库管理系统图形数据文件库

属性数据库图幅内空间数据的组织工作区行政边界道路水系居民地土地覆盖土壤……混合结构管理模式的特点优点：由于一部分建立在标准的RDBMS上，存储和检索数据比较有效、可靠。缺点：由于使用了两个子系统，它们各自有自己的规则，查询操作难以优化，存储在RDBMS外的数据有时会丢失数据项的语义。数据完整性的约束条件可能遭破坏，如在几何空间数据系统中目标实体仍存在，但在RDBMS中却已删除。空间数据管理的发展过程人工管理阶段文件管理阶段文件与数据库系统混合管理阶段全关系型空间数据库管理系统对象关系数据库管理系统面向对象的数据库系统全关系型空间数据库管理系统20世纪70年代后期图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理全关系型空间数据库管理系统(Cont.)采用同一DBMS存储空间数据和属性数据，即在标准的关系数据库上增加空间数据管理层;利用该层将结构查询语言（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。全关系型空间数据管理模式的特点优点：省去了空间数据库和属性数据库间的繁琐连接，空间数据存取速度快。缺点：由于是存取、效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查询过程复杂。空间数据管理的发展过程人工管理阶段文件管理阶段文件与数据库系统混合管理阶段全关系型空间数据库管理系统对象关系数据库管理系统面向对象的数据库系统对象关系数据库管理系统对关系数据库管理系统进行扩展，使之能管理非结构化的空间数据GIS厂商开发的空间数据管理模块

ESRI:SDEMapInfo:Spatialware关系数据库管理系统厂商直接开发的空间数据管理模块OracleSpatialInformixIngresDB2对象关系数据库管理系统（cont.）特点优点：在核心DBMS中进行数据类型的直接操作很方便、有效，并且用户还可以开发自己的空间存取算法。缺点：用户须在DBMS环境中实施自己的数据类型，对有些应用相当困难。空间数据管理的发展过程人工管理阶段文件管理阶段文件与数据库系统混合管理阶段全关系型空间数据库管理系统对象关系数据库管理系统面向对象的数据库系统面向对象的数据库系统采用面向对象方法建立的数据库系统；对问题领域进行自然的分割，以更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型。面向对象的数据库系统目前面向对象数据库管理系统还不够成熟，价格昂贵，在空间数据管理领域还不太适用；基于对象关系的空间数据库管理系统可能成为空间数据管理的主流3新型数据库内容分布式数据库演绎数据库多媒体数据库工程数据库空间数据库时态数据库实时数据库分布式数据库分布式数据库的概念分布式数据库的结构分布式数据库的特点分布式数据库概念概念：逻辑上是一个统一的数据库系统物理上分散在不同的场地（节点）各场地通过计算机网络连接在一起统一由一个分布式数据库管理系统(DDBMS)管理特点：分布性：数据的分布性事务的分布性协调性：逻辑上整体、具整体完整性约束网络LDBLDBMSGDBMSCM全局数据字典LDBCMGDBMSLDBMS全局数据字典LDBCMGDBMSLDBMS全局数据字典分布式数据库结构分布式数据库特点地方自治性在集中式数据库中非常强调对全局的集中控制，而在分布式数据库中不强调全局的集中控制，而强调各结点的地方自治。这给每一结点相当的独立性。相互协作性地方自治是分布式数据库的一个方面特色，光有这一方面是远远不够的，更重要的是当某结点的事务需要存取其他结点的数据时，更需要各结点间相互协作，相互配合。这种协作是平等关系的协作。分布式数据库特点（Cont.）位置透明性位置透明性意味着用户使用数据时，无须了解所存取的数据所在位置。这一位置信息是由系统通过全局目录而获得，并由系统决定是在本结点自治处理，还是通过网络存取他结点的数据。这种透明性简化了应用程序，大大方便了用户。它是分布式数据库的主要目标之一。分布式数据库特点(Cont.)副本的透明性在集中式数据库中减少冗余是它的主要目标之一，但在分布式数据库中出于性能和效率方面的考虑，有时需要在不同结点存放同一数据库的几个副本。这主要考虑到下述两个因素和背景一是应用的局部性，在分布环境下，为了减少网上的传输，提高效率，确定了一个处理原则，即能在本地区处理的事务不申请网上的传输。因而重复存放副本就是自然的策略；二是系统的可行性，在分布环境下，一个结点出现了故障，不影响整个系统的运行。需要在某地区获得的数据，可在其他结点获得。演绎数据库演绎数据库的基本概念演绎数据库的内容和特点演绎数据库的研究现状演绎数据库、知识库与智能数据库演绎数据库的基本概念根据已知的事实