4-空间数据组织与管理2课件

第4章空间数据组织和管理第一节概述第二节空间数据组织管理第4章空间数据组织和管理第一节概述第二节空间数据组织管11、数据库的定义数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据集合。建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。计算机对数据的组织管理经过了三个阶段：程序管理阶段、文件管理阶段、数据库管理阶段

第一节概述第一节概述22、数据库中数据组织方式

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：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。2、数据库中数据组织方式数据库中的数据组织一般可以分为四级3数据库特点数据独立于应用程序而集中管理；数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系。数据库特点43、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)（学号——学生）2、一对多的联系(1：N)（专业、班级——学生）3、多对多的联系(M：N)（课程——学生）A

BAB3、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54.常规数据模型

数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。数据模型分类：层次模型网络模型关系模型其中应用最广泛的是关系模型。

4.常规数据模型数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑6(1)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土地类型分类分级、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。(1)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7层次数据库模型特点优点：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层次数据库模型特点优点：8（2）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。系名土管系教师数学生数研究生系名GIS系教师数49学生数257研究生71学校名称理工大系名测工系教师数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XXX年龄45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（2）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9网络数据库模型特点优点：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）网络数据库模型特点优点：10（3）关系数据库模型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（3）关系数据库模型关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组11关系模型对数据的组织—地图表MⅠⅡ地图表关系模型对数据的组织—地图表MⅠⅡ地图表12关系模型对数据的组织—多边形表

ⅠⅡacbecfgd多边形表关系模型对数据的组织—多边形表ⅠⅡacbecfgd多边形表13关系模型对数据的组织—线表Ⅰa12ⅠⅠⅠⅡⅡⅡgb25f463e356d41c34线表关系模型对数据的组织—线表Ⅰa12ⅠⅠⅠⅡⅡⅡgb25f4614关系模型对数据的组织点—坐标表点坐标表1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6点关系模型对数据的组织点—坐标表点坐标表1x1y12x2y2315关系数据库模型特点优点：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。关系数据库模型特点优点：16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值.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都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作不能支持复杂的图形功能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17第二节空间数据组织管理方法：

空间数据库第二节空间数据组织管理方法：

18一、空间数据库概念及特点空间数据库定义：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空间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一、空间数据库概念及特点空间数据库19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/20二、常用空间数据模型基于文件的数据管理模型基于文件与关系式数据库的混合空间数据模型；全关系型空间数据模型(扩展模型)；对象—关系式数据库的空间数据模型（统一数据模型）；面向对象的空间数据模型。二、常用空间数据模型基于文件的数据管理模型211、基于文件的数据管理方式缺点：1）程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。2）以文件形式共享，当多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。不能达到真正的共享，即数据项、记录项的共享。GIS应用软件空间及属性数据文件GIS应用1空间、属性数据文件1GIS应用2空间、属性数据文件2空间、属性数据文件31、基于文件的数据管理方式缺点：GIS应用软件空间及属性数据22图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统来回切换，不方便。2、基于文件与关系数据库混合管理方式几何数据属性数据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

GIS通过DBMS提供的高级编程语言C或Fortran等接口，在C语言的环境下，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。在ODBC(OpenDataBaseConnectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据。图形与属性结合的混合处理模式图形与属性结合的各自分开处理模式图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的23文件与关系数据库混合管理方式弊端GIS应用软件Arc/Info

图形用户界面ArcEdit属性用户界面Tables图形数据文件库属性数据库图形处理系统数据库管理系统oid几何图形:图形用户界面与图形文件处理是一体的，中间没有裂缝。属性数据，则因系统和历史发展而异。

即采用文件与RDBMS的混合管理模式中文件管理系统的功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能。因而GIS软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMS。

●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。文件与关系数据库混合管理方式弊端GIS应用软件图形用户界面A243、全关系型空间数据模型属性数据、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。属性间接存取，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、GeoView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DBMS软件商在RDBMS中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据。原理是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。3、全关系型空间数据模型属性数据、几何数据同时采用关系式数据25全关系型数据库的实现方式GIS应用扩展DBMS以容纳空间数据商用DBMS空间和属性数据库特点：GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。用RDBMS管理图形数据有两种方式：a、基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一系列关系连接运算，费时。例如b、将图形数据的变长部分处理成BinaryBlock字段（多媒体或变长文本）。省去大量关系连接操作，但BinaryBlock的读写效率比定长的属性字段慢得多，特别涉及对象的嵌套时，更慢。全关系型数据库的实现方式GIS应用扩展DBMS以容纳空间数据26关系模型组织图形数据P1P2多边形编号边号边长P1aP1bP1cP1d边号起结点号终结点号a17b21…结点号xy1..…2………CN

E关系模型组织图形数据P1P2多边形编号边号边长P1aP1bP274、对象－关系数据模型商用DBMSGIS应用空间数据处理管理模块

空间和属性数据库扩充实体(对象)类型（点、线、面、圆等）

主要解决空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构不能由用户定义，用户不能根据GIS要求再定义，使用上受一定限制。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。这种模型不是基于标准的RDBMS，而是在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功能。空间扩展完全包含在DBMS中，用户可以使用自己的基本抽象数据类型（ADT）来扩充DBMS。在DBMS中进行数据类型的直接操作方便、有效，如Informix和Oracle等都推出了空间数据管理的模块，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的API函数。4、对象－关系数据模型商用DBMSGIS应用空间数据处理管理285、面向对象的空间数据库模型5、面向对象的空间数据库模型29（1）面向对象数据模型的含义

为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。这就是面向对象数据模型的含义，其具体实现就是面向对象的数据结构。面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。可以将空间对象根据GIS需要，定义合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。面向对象的地理数据模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵。（1）面向对象数据模型的含义

为了有效地描述复30面向对象方法简介面向对象（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。面向对象方法简介面向对象（object-orient31（1）面向对象的基本概念①对象②类③消息与方法④协议与封装（1）面向对象的基本概念①对象32①对象

对象是含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。如一个城市、一棵树均可作为地理对象。★具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；★具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态——静态属性—数据；★具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。—作用、功能—函数、方法。对象的划分：根据对象的共性，及对它的研究目的来划分，与具体的目的、性质相联系，不同的目的就会有不同划分。划分原则：找共同点，所有具有共性的系统成份就可为一种对象。①对象对象是含有数据和操作方法的独立模块，可以认为33②类类是共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。类是对象集合的抽象。

如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。②类类是共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。类是对34实例类的一个具体对象，称为实例，如长江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。类---申请实例---成为具体对象。类实例1实例2②类—实例实例类的一个具体对象，称为实例，如长江、黄河等。真正抽35消息与方法是对象之间的请求和协作。（并不独立存在）对象之间的关系，如鼠标点击，就是消息，点某按纽，就是对按纽提出请求。对象1对象2请求和协作消息③消息与方法消息与方法是对象之间的请求和协作。（并不独立存在）对象之间的36④协议与封装协议是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可为外界做什么，对象能够并且只能向该对象发送协议中所提供的消息，请求该对象提供服务。封装就是将某件事物包围起来，使外界不必知道其实际内容。封装的最基本单位是对象，对象通过封装后，其他对象只能从仅有消息中提供的功能进行请求服务，对这个对象内部的情况不必了解。④协议与封装协议是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可37现实世界抽象实例现实世界对象1对象2对象3抽象属性数据行为方法类实例方法、消息封装协议现实世界抽象实例现实世界对象1对象2对象3抽象属性38（2）面向对象模型的抽象工具1、分类2、概括3、聚集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）抽象工具。4、联合5、继承6、传播（2）面向对象模型的抽象工具1、分类对象具有封装性和39（3）复杂对象及其特点指具有复杂结构和操作的对象。复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象构成，或具有复杂的嵌套关系等。

复杂对象的特点可归结为：①一个复杂对象由多个成员对象构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成；②具有多种数据结构，如矢量、栅格、关系表等；③一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持，也就是说，可以分布于不同的数据库中。（3）复杂对象及其特点指具有复杂结构和操作的对象。复40复杂对象实例在GIS中的一个复杂地理实体(如大学)可能含有矢量数据、栅格数据、属性数据，甚至多媒体数据，而且可以认为是由其它较简单的实体(如道路、教学楼、操场等)组成，因此，可以作为一个复杂对象。GIS的地理实体所具有的矢量数据也可以认为是一个复杂对象，因为它包含了几何数据和属性数据，而几何数据又是由点、线、面等简单对象组成。复杂对象实例在GIS中的一个复杂地理实体(如大学)可能含有矢41复杂地物实例空间地物点状地物线状地物面状地物复杂地物电视塔桥

梁车

站道

路水

管电力线建筑物湖公

园矿

山大

学县复杂地物实例空间地物点状地物线状地物面状地物复杂地物电视塔桥42（4）面向对象的几何数据模型

从几何方面划分，GIS的各种地物对象为点、线、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物。每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成。空间地物复杂地物简单地物面域弧段节点面状地物线状地物点状地物

一个面状地物是由边界弧段和中间面域组成，弧段又涉及到节点和中间点坐标。或者说，节点的坐标传播给弧段，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物聚集或联合组成复杂地物。（4）面向对象的几何数据模型从几何方面划分，GIS的43（5）拓扑关系与面向对象模型

将每条弧段的两个端点（通过它们与另外的弧段公用）抽象出来，建立单独的节点对象类型，而在弧段的数据文件中，设立两个节点子对象标识号，即用“传播”的工具提取节点文件的信息。面标识弧段标识……弧段标识起节点终节点中间点串…………节点标识XYZ…………面域文件弧段文件节点文件拓扑关系与数据共享

这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与节点的拓扑关系。同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致。（5）拓扑关系与面向对象模型将每条弧段的两个端点（通44（6）面向对象的属性数据模型面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能基础上，增加面向对象数据模型的封装、继承和信息传播等功能。

耕地园地林地居民地牧草地未用地交通用地水域GIS城镇农村居民点工矿地控制点电力设施公园街道建筑物操作：查询插入删除属性：标识码区号街道号房主等建筑日期：职员库操作属性职员编号工资姓名饭店设施库房间床位操作属性工厂医院学校居民住宅饭店商店邮局银行（6）面向对象的属性数据模型面向对象数据模型是在包含45（7）面向对象的空间数据模型的特点可充分利用现有数据模型的优点。具有可扩充性。由于对象是相对独立的，因此可以很自然和容易地增加新的对象，并且对不同类型的对象具有统一的管理机制。c)可以模拟和操纵复杂对象。传统的数据模型是面向简单对象的，无法直接模拟和操纵复杂实体，而面向对象的数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力。在GIS中建立面向对象的数据模型时，对象的确定还没有统一的标准，但是，对象的建立应符合人们对客观世界的理解，并且要完整地表达各种地理对象，及它们之间的相互关系。（7）面向对象的空间数据模型的特点可充分利用现有数据模型的优46（8）面向对象数据库系统的基本概念“什么是面向对象数据库系统（OODBS-ObjectOrientedDataBaseSystem）?”FrancoisBancilho把OODB定义为：“一个面向对象的数据库系统应该满足两条准则：它应该是一个数据库管理系统，而且还是一个面向对象的系统。第一条准则是说它应该具备六个特征：永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改。第二条准则是说它应具备八个特征：类/类型、封装性/数据抽象、继承性、多态性/滞后联编、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性。”（8）面向对象数据库系统的基本概念“什么是面向对象数据库系统47（8）面向对象数据库系统的基本概念面向对象数据库系统的基本概念

数据库管理系统面向对象的系统永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改类/类型、封装性/数据抽象、继承性、多态性/滞后联编、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性

动态联编:为了实现多态，系统不能在编译时就把操作名联编到程序上，而要等到运行时才进行解释。（8）面向对象数据库系统的基本概念面向对象数据库系统的基本概48面向对象数据库系统的功能构成从OODBS具有面向对象特性的角度出发，OODBS应该提供创建类的设施，用以组织对象、创建对象、把类组织成一个继承层次，使得子类能从超类中继承属性和方法，以及调用方法来访问特定的对象。

从OODBS是一个数据库系统的角度考虑，它必须提供当今关系数据库系统（RDB）提供的那些标准数据库设施，包括检索对象的非过程性查询设施、自动查询优化和处理、动态模式改变（改变类定义和继承结构）、存取方法（如B＋树索引、可扩充散列、排序等）的自动管理以提高查询处理性能、自动事务管理、并发控制、从系统故障中恢复、安全和授权。面向对象数据库系统的功能构成从OODBS具有面向对象特性的角49（9）面向对象数据库系统的优势1）缩小了语义差距

传统数据库设计往往是在问题空间采用某种语义模型（例如E－R模型），而在求解空间采用关系模型，于是就必须在这两个空间的表示之间作一个转换，这样往往会丢失语义。OODB的优势在于在这两个空间中采用了相同/近似的模型，从而使它们之间的语义差距缩小了。（9）面向对象数据库系统的优势1）缩小了语义差距50（9）面向对象数据库系统的优势（续）2）减轻了“阻抗失配”问题传统数据库应用往往表现为把数据库语句嵌入某种具有计算完备性的程序设计语言中，由于数据库语言和程序设计语言的类型系统和计算模型往往不同，所以这种结合是不自然的，这个现象被称为“阻抗失配”。在OODB中，把需要程序设计语言编写的操作都封装在对象的内部，从本质上讲，OODB的问题求解过程只需要表现为一个消息表达式的集合。（9）面向对象数据库系统的优势（续）2）减轻了“阻抗失配”问51（9）面向对象数据库系统的优势（续）3）适应非传统应用的需要

OODB研究的目的就是为了适应诸如CAD、CAM、CASE、GIS等非传统领域的需要。OODB中，这种适应性主要表现在能够定义和操纵复杂对象，具备引用共享和并发共享机制以及灵活的事务模型，支持大量对象的存储和获取等等。（9）面向对象数据库系统的优势（续）3）适应非传统应用的需要52（10）应用现状及趋势

当前已推出了若干OODBMS如O2等，也出现一个基于OODBMS的GIS，但由于OODBMS价格昂贵且技术还不成熟，目前在GIS领域不太通用。基于对象—关系的SDBMS将可能成为GIS空间数据库发展的主流。（10）应用现状及趋势当前已推出了若干OODBMS如O53（11）面向对象数据库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