空间数据库——第二部分第一章绪论.ppt

1、空间数据库,授课教师：陈鲁皖,主要参考书籍,1空间数据库 美沙克哈（Shekhar,S.）著 谢昆青 马修军 杨冬青 译 2地理空间数据库原理崔铁军 编著 3为我们的世界建模美Michael Zeiler 著 张晓祥 张峰 姚静 等 译 4数据库系统概论(第三版)萨师煊 王珊 等 编著 5 SQL Server 2005和Oracle 10g的相关教程 6ArcSDE管理员教程ESRI中国技术咨询与培训中心,主要内容安排,第一章 空间数据库绪论 第二章 GeoDatabase与空间数据库的建立 第三章 空间数据引擎与ArcSDE 第四章 空间数据库的连接,本章主要内容 一 空间数据库概述 1.

2、1 空间数据库的定义 1.2 空间数据库的特征 1.3 空间数据库的作用 1.4 空间数据库的用户 二 空间数据库的形成与发展 2.1 数据库的发展综述 2.2 空间数据库的发展历程 三 空间数据库模型,一、空间数据库概述,1. 1 空间数据库的定义 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。,相关概念 地理空间：指在现实世界中，地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的部分，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生

3、在该范围中；同时地理空间还可以认为是物质、能量、信息存在形式在形态、结构、过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。,空间信息：指在信息世界中有关地理空间信息，这是对现实世界的第一次抽象，即从现实世界到信息世界。 信息结构和数据模型：指在计算机世界中，通过抽象、建模形成不同数据种类的表示形式，通过空间数据库所建立的数据模型(如关系数据模型)来进行存储、获取、表达和管理。这是对现实世界的第二次抽象，即从信息世界到计算机世界。,1.2 空间数据库的特征,传统数据库对空间数据管理的缺陷 传统的数据库管理的是不连续的、相关性较小 的数字或者字符，而空间数据是连续的，并且有很强的空间相关性；

4、传统的数据库管理的实体类型较少，并且实体类型间只有简单的、固定的空间关系，而空间数据库的实体类型繁多，实体间存在复杂的空间关系； 传统数据库中存储的数据通常为等长记录的数据，而空间数据的目标坐标长度不定，具有变长记录，并且数据项可能很多，很复杂； 传统数据库只操作和查询数字和文字信息，而空间数据库需要大量的空间数据操作和查询。,1.2.1、空间数据的特征,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,每一个空间对象都有一个分类编码，而这种分类编码往往属于国家标准，或行业标准，或地区标准，每一种地物的类型在某个GIS中的属性项个数是相同的。一种地物类型对应

5、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。,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。,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。,1.2.2 空间数据库的特征 与一般数据库相比，空间数据库具有以下特征： 数据量特别巨大； 空间数据和属性数据统一，数据种类多； 数据应用面相当广泛。,在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。,1.3 空间数据库的作用,从不同角度考察空间数据库的

6、作用： 从信息抽象体系来看，空间数据库是从现实世界的真实地球到计算机世界中的映射。信息流是有关人流、物质流和能量流的性质、特征和状态的表征，它依附于人流、物质流和能量流而存在，即以人流、物质流和能量流为载体。 因此可以通过研究信息流来认识、理解和模拟人流、物质流和能量流的运动规律。, 从社会需求体系的构成看，社会的信息需求中有很多是与空间有关的。 目前主要是政务需求，现在正在建设的电子政务体系：办公业务资源系统、宏观经济管理、社会保障等 一个共同的特点：就是各子系统都基于相同的基础空间数据。 从国际空间战略来看，地理空间已作为各个国家共享的资源，所以对地理空间的数字化管理具有高度战略意义。 在

7、军事防御、环境监测、资源管理等方面都具有非常重要的意义。“数字地球”作为一个战略目标，当然现在还未能实现。但是从它的技术框架来看，空间数据库是其中一个很重要的组成部分。,空间数据库突出的两点作用,对海量数据的管理能力。 空间分析功能。,现阶段GIS空间数据库存在的问题,1）数据共享问题 数据文件格式统一性。 地理信息的标准化。 数据共享的政策。 2）数据“瓶颈”问题 3）数据更新问题 4）数据安全问题,1.4 空间数据库的用户,科学家 管理人员和商务专家 一般用户,2 空间数据库的形成与发展,2.1 数据库发展综述 1969年美国IBM公司开发了第一个数据库系统IMS 同年，美国的数据系统语言

8、委员会(CODASYL)下属的数据库任务组提出了著名的DBTG报告，并在1970年提出了该报告的修订版。 在2O世纪70年代开发了许多遵循DBTG报告的网状数据库系统，如IDMS、IDS、DMSIIOO等。 20世纪70年代初，Codd E.F.提出了关系数据模型的概念和关系代数及关系演算。SYSTEM、INGRES、ORACLE 1986年美国国家标准协会(AGISI)通过了关系数据库查询语言SQL的文本标准。 从20世纪80年代后期到目前为止，出现了面向对象数据库系统。,2.2 空间数据库的发展历程,1）空间数据库的计算平台的发展 三个阶段：集中式系统阶段、经典的客户/服务器系统阶段和分布

9、式计算系统阶段，如下图所示。,2）空间数据模型的发展 层次模型 网络模型 关系模型 面向对象数据模型 3）管理模式的发展 文件与关系数据库混合管理系统 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象空间数据库管理系统,第三章 空间数据库的模型,本章教学目标 理解面向对象的相关概念； 了解三维数据模型的概念； 了解时态GIS模型的相关概念。,本章主要内容 1 面向对象的模型 1.1 面向对象的概念 1.2 面向对象数据模型的概念 2 三维数据模型 2.1 三维空间的目标分类 2.2 八叉树数据结构 2.3 四面体格网 3 时态GIS模型,1 面向对象的模型,1.1 面向对象的概念

10、面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示。每个对象都是包含了数据集和操作集的实体，即是说，面向对象的模型具有封装性的特点。 面向对象的基本思想是通过对问题领域进行自然的分割，用更接近人类通常思维的方式，以“对象”作为最基本的元素建立问题领域的模型，并进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程。,1）对象（Object）封装 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。 一个对象object可定义成一个三元组： object=（ID，S，M） 其中，ID为对象标识，M为方法集，S为对象的内

11、部状态。 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。,2）分类(classification） 类是关于同类对象的集合，具有相同属性和操作的对象组合在一起。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。 class=（CID，CS，CM) 其中，CID为类标识或类型名，CS为状态描述部分，CM 为应用于该类的操作。显然有： SCS 和 MCM 当objectclass时,现实世界抽象

12、实例,现实世界,对象1,对象2,对象3,抽象,类,实例,3）概括(generalization）继承 概括就是在定义类型时，将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成一种更一般的超类。 比如，设有两种类型 Class1=（CID1，CSA，CSB，CMA，CMB） Class2=（CID2，CSA，CSC，CMA，CMC） Class1和Class2中都带有相同的属性子集CSA和操作子集CMA并且CSACS1 和 CSACS2 及 CMACM1 和 CMACM2因而将它们抽象出来，形成一种超类： Superclass =（SID，CSA，CMA) 在定义了超类以后，Class1和C

13、lass2可表示为： Class1=（CID1，CSB，CMB） Class2=（CID2，CSC，CMC）,4）联合(association) 在定义对象时，将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来，为了避免重复，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。 假设有两个对象 Object1 =（ID1，SA，SB，M) Object2 =（ID2，SA，SC，M) 其中，这两个对象具有一部分相同的属性值，可设立新对象Object3包含Object1和Object2： Object3 =（ID3，SA，Object1，Object2，M) 此时，Object1和Object2可变为 O

14、bject1 =（ID1，SB，M) Object2 =（ID2，SC，M) Object1和Object2称为“分子对象”，它们的联合所得到的对象称为“组合对象”。 联合的一个特征是它的分子对象应属于一个类型。,5）聚集(aggregation)传播 聚集是将几个不同特征的对象组合成一个更高水平的对象。每个不同特征的对象是该复杂对象的一部分，它们有自己的属性描述数据和操作，这些是不能为复杂对象所公用的，但复杂对象可以从它们那里派生得到一些信息。 例如，设有两种不同特征的分子对象 Object1 =（ID1，S1，M1) Object2 =（ID2，S2，M2) 用它们组成一个新的复合对象 O

15、bject3 =（ID3，S3，Object1（Su)，Object2（Sv），M3) 其中SuS1，SVS2，从上式中可见，复杂对象Object3拥有自己的属性值和操作，它仅是从分子对象中提取部分属性值，且一般不继承子对象的操作。 在联合和聚集这两种对象中，是用“传播”作为传递子对象的属性到复杂对象的工具。,1.2 面向对象数据模型的概念,（1）基本含义 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

16、长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。 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。,（2）复杂对象,指具有复杂结构和操作的对象。复杂对象可以由多种关系而成，或由不同类型的对象聚合抽象构成，或具有复杂的嵌套关系等。,（3）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。,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）拓扑关系与面向对象模型,将每条

17、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）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。,（6）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

18、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。,2 三维数据模型,2.1 三维空间的目标分类 2.2 八叉树数据结构 2.3 四面体格网,2.1 三维空间的目标分类,在三维空间中，可将空间地物按维数分成零维（点），一维（线）、二维（面）和三维（体）四大类。 零维空间：有点状地物

19、和用来表示与弧段的关联关系的结点两类目标。 一维空间：有“拓朴弧段” 、“无拓朴弧段”和线状地物。其中“拓朴弧段”可以是构成多边形的边界线也可是构成各类网线（如水系网、交通网、城市地下管网）的网线段。 二维空间：主要有三类目标，一个是构成面状地物的拓朴面片；第二个是像素，用它可组成面状要素；第三个是根据有限的离散数据建立数字表面模型。 三维空间，有由若干个面片或由数字立体模型表示体状地物；以及根据有限的三维空间离散数据建成的数字立体模型。,2.2 八叉树数据结构,八叉树数据结构是三维栅格数据的压缩形式，是二维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广，该数据结构是将所要表示的三维空间V按X、Y、Z三个

20、方向从中间进行分割，把V分割成八个立方体，然后根据每个立方体中所含的目标来决定是否对各立方体继续进行八等分的划分，一直划分到每个立方体被一个目标所充满，或没有目标，或其大小已成为预先定义的不可再分的体素为止。,四叉树回顾,将图件覆盖的区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的属性码值变为单一为止或达到预定精度的网格大小为止。(对于达到预定精度的网格其覆盖的属性编码未能单一，则按占据面积大者的属性编码为该网格的属性编码) 这就是常规四叉树的建立过程。,四叉树压缩编码原理,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,11,12,13,1,6,2,3,4,5,7,8,9,10,11,12,13,(a)

21、四叉划分递归过程,(b)四叉树存储结构,图2-21 四叉树压缩编码原理图,树根代表整个图件，树的每个结点有四个分支或端点，没有分枝的端点称为叶节点，叶节点对应图件上区域分割时不在继续分割的子象限。,编码过程,地址编码,三维空间体V中的物体,三维空间体V及划分编码,八叉树数据结构举例,八叉树的主要优点在于可以非常方便地实现有广泛用途的集合运算（例如，可以求两个物体的并、交、差等运算）而这些恰是其它表示方法比较难以处理或者需要耗费许多计算资源的地方。此外，由于这种方法的有序性及分层性，因而对显示精度和速度的平衡等，带来了很大的方便，特别有用。,2.3 四面体格网,四面体格网（Tetrahedral NetworkTEN）是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质是2D TIN