地理信息系统概论：第三讲 空间数据库2013

第三讲：空间数据库地理信息系统GIS地理信息系统概论地理信息系统概论第三讲：空间数据库1、数据库2、空间数据库3、空间数据库设计4、空间数据库模型5、空间数据查询与访问SDE6、空间数据库发展趋势地理信息系统概论1、数据库数据库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。数据表n数据表1数据表2数据表3......多个数据项多条记录多个数据项多条记录多个数据项多条记录多个数据项多条记录数据项关联RS&GIS技术集成————遥感与地理信息系统地理信息系统概论地理信息系统概论1、数据库RS&GIS技术集成————遥感与地理信息系统地理信息系统概论2、空间数据库空间数据库特征（时间、空间、属性、关系）1）空间特征2）非结构化特征3）空间关系特征

4）分类编码特征5）海量数据特征

一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。组织

拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。

拓扑关系的构建

结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原子数据.而空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。

一般需要建立空间索引。地理信息系统概论2、空间数据库空间数据库是存取、管理空间信息的数据库。是在传统数据库基础上，扩展了空间图形信息的存取、管理。空间数据库概念RS&GIS技术集成————遥感与地理信息系统地理信息系统概论地理信息系统概论RS&GIS技术集成————遥感与地理信息系统地理信息系统概论地理信息系统概论2、空间数据库空间数据库组成硬件操作系统DBMS，编译系统应用开发工具软件应用系统PB,VB,VCDELPHIOracle,Db2,Sybase,SQLServer,Informix2、空间数据库空间数据库常见概念1、实体2、属性3、码4、域5、实体集6、联系3、空间数据库设计空间数据库设计现实世界地理实体数据层设计结构设计需求分析数据字典设计

空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。结构设计

指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。

空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。现实世界地理实体逻辑模型物理模型概念模型需求分析结构设计数据层设计

GIS的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。

例如，地形图数据可分为地貌、水系、道路、植被、控制点、居民地等诸层分别存贮。将各层叠加起来就合成了地形图的数据。在进行空间分析、数据处理、图形显示时，往往只需要若干相应图层的数据。

数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的。数据的专业内容的类型通常是数据分层的主要依据，同时也要考虑数据之间的关系。如需考虑两类物体共享边界(道路与行政边界重合、河流与地块边界的重合)等，这些数据间的关系在数据分层设计时应体现出来。

不同类型的数据由于其应用功能相同，在分析和应用时往往会同时用到，因此在设计时应反映出这样的需求，即可将这些数据作为一层。（如道路、加油站、停车场—交通层）

最后得出各层数据的表现形式，各层数据的属性内容和属性表之间的关系等。数据字典设计

数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标准规范，它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建立、维护和更新。数据字典的内容包括：数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层详细内容的定义及结构、数据命名的定义、元数据（有关数据的数据，是对一个数据集的内容、质量条件及操作过程等的描述）等内容。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

BAB3、空间数据库设计空间数据库模型实体间关系

4、空间数据库模型空间数据库模型

空间实体之间的联系可以从时间、空间和属性三个方面加以考察。对空间客体及其联系的数学描述，可以用数据模型这个概念进行概括。数据库系统中通常采用的数据模型有：层次模型、网状模型、关系模型、语义模型、面向对象模型4、空间数据库模型空间数据库模型——层次模型

层次数据模型描述了各类客体及客体类之间的联系。每一个客体类最多只能有一个双亲客体类，而一个双亲客体类则可有多个子女客体类。双亲和子女客体类之间形成了所谓的层次关系。在层次数据模型中，记录被表示为树型结构的一个结点。拥有多于一个双亲的客体类必然在数据库中要重复出现多次。4、空间数据库模型空间数据库模型——层次模型

4、空间数据库模型空间数据库模型——层次模型

4、空间数据库模型空间数据库模型——网状模型

网状数据模型以系结构为基础，系由属于两个不同客体类（即首、属两个客体类）的客体所组成。每个系中只包含一个属于首客体类的客体，以及若干个属于属客体类的客体。4、空间数据库模型空间数据库模型——关系模型

用二维表来表示实体及其相互联系。姓名性别出生日期职务张三男1957/12/01处长李四女1965/11/25科长王五男1978/04/08科员表头表格

数据库的总体设计称作数据库的模式，如上面的“表头”。随着时间的推移，数据库中的数据会发生变化。特定时刻存储在数据库中信息的集合称作数据库的一个实例，如表中的“表格”。4、空间数据库模型空间数据库模型——关系模型

1、关系：一个关系对应于我们平常所说的一张表；2、元组：表中的一行称为一个元组；3、属性：表中的一列称为属性，给每一列取一个名称即为属性名；4、主码：表中的某个属性组，他们的值唯一地标识一个元组；5、域：属性的取值范围；6、分量：元组中的一个属性值；7、关系模式：对关系的描述，用关系名（属性名1，属性名2，….，属性名n）来表示。4、空间数据库模型空间数据库模型——关系模型

概念设计和逻辑设计数据依赖函数依赖主关键字决定关系模式中的非关键字完全函数依赖传递函数依赖多值依赖NF第一范式第二范式第三范式BC范式三种传统数据模型的比较表示空间信息的层次模型1、它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。2、层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。3、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。层次模型表示空间数据的缺陷优点：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。表示空间信息的网络模型MⅠⅡabcdefg123456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。网络模型表示空间信息的缺陷优点：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）表示空间信息的关系模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6点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。关系模型表示空间信息的缺陷优点：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4、空间数据库模型空间数据库模型——语义模型

语义模型的模型结构由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述客体的基本语义特性，再根据语义模型结构规则把这些抽象有机地组织起来。由于语义模型不具有避免异常和消除冗余的准则，所以需要与关系模型在设计的不同阶段相互配合，以求达到最佳的设计效果。最常用的语义模型之一是实体联系模型（entity-relationshipmodel,E-R模型）。

语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述实体的基本语义特性，根据语义模型结构规则,把这些抽象有机的组织起来。语义模型是概念模型的一种，是对信息世界建模，表示方法有多种，其中实体联系方法(Entity-RelationshipApproach)得到广泛应用，该方法用E-R图来描述现实世界，用于建立概念模型。一、语义数据模型（E-R模型）空间数据库模型——语义模型

①实体型实体是对客观存在的起独立作用的客体的一种抽象。②属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体联系起来③联系是客体间有意义的相互作用或对应关系。一般分为三种联系：一对一(1:1)，一对多(1:N)，多对多(M:N)。E-R图表达的三种语义空间数据库模型——语义模型

课程（课程号，课程名称，学时，性质）学生（学号，姓名，性别，专业）成绩（学号，课程号，分数）选修课程学生mn课程号名称学时性质学号姓名性别专业分数空间数据库模型—面向对象模型

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。4、空间数据库模型面向对象的基本概念1、对象2、类3、实例4、消息1、对象1、对象：

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。2005-07-19重庆交通学院测绘与国土信息系Liugd2、类2、类：

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。2005-07-19重庆交通学院测绘与国土信息系Liugd3、实例3、实例

被抽象的对象，类的一个具体对象，称为，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22005-07-19重庆交通学院测绘与国土信息系Liugd4、消息4、消息：

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，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。复杂地物实例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。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面向对象抽象——地理信息如何将地理要素转换成计算机能识别的地理信息？是建立地理信息系统的第一步！！面向对象的地理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。基于对象—关系的SDBMS可能成为GIS空间数据库发展的主流。

空间数据的查询是GIS最基本的功能，它是GIS高层次空间分析的基础，也是GIS面向用户的直接窗口。在GIS中，用户的很多问题可通过查询解决，查询还能派生新数据。一、空间数据查询的类型空间数据查询类型基于空间特性的查询结合空间特性和非空间（属性）特征的查询基于属性（非空间）特征的查询5、空间数据查询与访问空间数据引擎SDE采用关系数据库与文件混合管理模式的传统GIS数据库系统技术，在应用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理，总体上无法达到数据库技术冗余度、独立性等要求，用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与属性数据是GIS发展的必然趋势。1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型关系数据库中管理的产品，将其定名为“spatialdatabaseengine”，简称SDE，即为“空间数据库引擎”。

属性特征的查询主要在属性数据库中完成，这种查询通常基于标准的SQL查询语言实现，之后按照属性数据和空间数据的对应关系显示图形。1、基于属性（非空间）特征的查询标号植被面积101工业地169102林地122103农地230104林地100基于属性（非空间）特征的查询例：已有某地区的土地利用表及相应的图，现要找到林地，通过对下列属性数据表查找植被为林地的记录，并显示这些记录相应的空间位置。

1021041031015、空间数据查询与访问(1)空间几何数据查询(2)空间位置查询(3）空间关系查询5、空间数据查询与访问2、基于空间特性的查询①同类要素间②不同类要素间3、结合空间特性和非空间（属性）特征的查询

空间特征和属性特征的联合查询不是简单地由定位空间特性查询结果，显示相关的属性，也不是从属性特征的查询结果，显示相关的空间位置。空间特征和属性特征联合查询的实质是指查询条件中同时涉及空间特征和属性特征。例：从中国地图上查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km、长江以南(查空间中位置)、人口数大于100万的城市。本例中查人口数大于100万的城市，属于属性查询；查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km的城市，属于空间距离查询；查长江以南的城市，属于方位查询。

5、空间数据查询与访问二、空间数据查询的数学基础

主要使用布尔代数方法，即按照两个逻辑子集在给定的条件下进行逻辑运算。它的基本运算符号或算子包括3个，交、并、差。AND(交)OR（并）NOT（差）及其组合逻辑运算的结果为“真”或“假”。5、空间数据查询与访问三、空间查询的方法如S