空間數(shù)據(jù)庫-存儲

1、空間數(shù)據(jù)庫胡茂勝Tel:-mail: 【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院第第4 4章章 空間數(shù)據(jù)組織與管理空間數(shù)據(jù)組織與管理l本章內(nèi)容 4.1文件組織與數(shù)據(jù)庫 4.2空間數(shù)據(jù)管理方式 4.3空間數(shù)據(jù)引擎 4.4空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接 4.5空間數(shù)據(jù)組織 4.6柵格數(shù)據(jù)存儲和管理【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫l1、數(shù)據(jù)文件域、記錄（物理、邏輯）、

2、文件l2、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)l3、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)的存儲形式：二進制流或復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如: Well-Known Text (WKT) format POLYGON(0 0,10 0,10 10,0 10,0 0),(5 5,7 5,7 7,5 7, 5 5) Well-Known Binary (WKB) format 0101000000000000000000F03F000000000000F03F Byte order : 01 WKB type : 01000000

3、 X : 000000000000F03F Y : 000000000000F03F 【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫： 數(shù)據(jù)庫事務(wù)和應(yīng)用程序的需求是正交的（orthogonal）。 數(shù)據(jù)操作函數(shù)簡單：包括, MIN, MAX, AVG等。 衡量標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)據(jù)從二級存儲到主存之間的傳輸代價（即I/O代價）。 應(yīng)用程序： CPU密集型操作。 空間數(shù)據(jù)庫： 涉及的函數(shù)計算復(fù)雜。 數(shù)據(jù)太大，存儲需求更高。CPU代價代價I/O代價代價DBMS低高C程序高低SDBMS高高【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】

4、 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫磁盤的幾何結(jié)構(gòu)和含義： 構(gòu)成：主軸、磁盤片、磁道 磁盤塊（頁面）：磁盤與主存之間的最小傳輸單元。 數(shù)據(jù)從磁盤向主存中傳輸過程：（1）磁頭到達特定磁道上。（尋道時間ts）（2）磁盤塊旋轉(zhuǎn)到磁頭下方。（延遲時間tl）（3）磁頭讀或?qū)憠K中數(shù)據(jù)。（傳輸時間tt，固定的） 總時間 ta = ts + tl + tt 且滿足 ts tl tt【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)管理器： DBMS中的一個軟件模塊，負責(zé)管

5、理主存與二級存儲之間的數(shù)據(jù)傳輸。 置換策略：確保事務(wù)不會因為一部分?jǐn)?shù)據(jù)不在主存中而停頓。 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的緩沖區(qū)管理： 主要基于關(guān)系查詢行為。 頻繁訪問集（hot set）模型：最近最少使用（LRU）算法。 查詢本地集（QLSM）模型：DBMIN算法。引用模式為：順序引用、隨機引用、分層引用。 使用DBMIN比使用頻繁集訪問的算法的吞吐量高出7到13個百分點?！究臻g數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫l 域、記錄和文件： 文件是記錄的集合，一個文件可能跨越多個頁面。 一個頁面是槽（slot）的集合，每個槽包含一條記

6、錄。 每條記錄是相同或不同類型的域的集合。 一條記錄的域可以是定長或變長的。 文件中的記錄可以是有序或無序的。 文件可以組織成鏈表或頁面目錄。 例子：二進制大對象（BLOB）域類型。【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫共6條記錄，每條80字節(jié)CanadaMe

7、xicoCubaBrazilUSAArgentina共4條記錄，每條72字節(jié)Rio ParanaSt. LawrenceRio GrandeMississippi共2條記錄，每條73字節(jié)Mexico CityBuenos Aires共7條記錄，每條73字節(jié)Havana.Ottawa.表目錄所在的塊Country61River41City-2實例：將記錄從Country, City, River表映射到磁盤頁RivercountryCity【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫 文件結(jié)構(gòu)：文件中記錄的組織形式

8、。 （1）無序文件（unordered file）： 又叫堆（heap），其中記錄沒有特定的順序，是最簡單的組織形式。 優(yōu)點：在進行插入操作時可以很容易地在文件末尾插入一條新記錄。 代價：平均需要檢索一半的磁盤頁面，最壞情況需訪問所有存儲該文件數(shù)據(jù)的磁盤頁面。 示例：上圖River表?！究臻g數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫 文件結(jié)構(gòu)：文件中記錄的組織形式。 （2）散列文件（hashed file）： 使用散列函數(shù)把記錄分到一系列散列單元中。 優(yōu)點：能夠把數(shù)量大致相同的記錄放入每個散列單元中，對于點的查詢、插

9、入和刪除操作都非常有效，可以在一個常數(shù)時間內(nèi)完成查詢，與文件中記錄的個數(shù)無關(guān)。 缺點：不適合范圍查詢。例如查找名字以字母”B”開頭的城市。 代價：常數(shù)時間內(nèi)完成查詢（例如兩次磁盤訪問）【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫2條記錄HavanaOttawa2條記錄RosarioToronto3條記錄BrasilliaMonterreyMexico City2條記錄Buenos Aries.Washington DC4個散列單元，9條記錄關(guān)鍵碼=114示例：City表的散列文件組織方式4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)

10、庫文件組織與數(shù)據(jù)庫 （3）有序文件（ordered file）： 根據(jù)給定的主碼域?qū)τ涗涍M行組織。 優(yōu)點：可以使用折半查找算法根據(jù)給定的主碼屬性值查找?？梢赃M行范圍查詢：先用折半法查到第一個符合條件的記錄，然后掃描后續(xù)記錄?？梢愿鶕?jù)對空間數(shù)據(jù)集的文件組織方式而概括成空間聚類。 缺點：不能直接應(yīng)用在空間領(lǐng)域。例如，無法對城市的位置排序。 代價：隨文件中記錄數(shù)的增加呈對數(shù)增長（log2(n)）。 示例：4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫2條記錄TorontoWashington DC共7條記錄，每條73字節(jié)Brasillia.Buenos AiresHavanaMexico CityMo

11、nterreyOttawaRosario.存儲City表的有序文件（已排序）4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫 聚集： 目的：降低響應(yīng)常見的大查詢的尋道時間和等待時間。 對空間數(shù)據(jù)庫來說，在二級存儲中，空間上相鄰的和查詢上有相關(guān)性的對象在物理上應(yīng)當(dāng)存儲在一起。 在SDBMS支持三種聚類： （1）內(nèi)部聚類：加快對單個對象的訪問，一個對象的全部表示都存放在同一個磁盤頁面中，或者多個物理上連續(xù)的頁面中。 （2）本地聚類：加快對多個對象的訪問，一組空間對象被分組到同一頁面?？梢砸罁?jù)數(shù)據(jù)空間中對象的位置來分組。 （3）全局聚類：與本地聚類相反，一組空間鄰接的對象并不存儲在一個而是多個物理上鄰接

12、的頁面中，這些頁面由一條單獨的讀命令訪問。4.14.1文件組織與數(shù)據(jù)庫文件組織與數(shù)據(jù)庫 空間聚類技術(shù)： 需從高維空間映射到一維空間，該映射是距離不變的。 幾種突出的映射方法：Z序列（Z-order），格雷碼（Gray Code），Hilbert曲線。 更為復(fù)雜的：最小割邊圖劃分、幾何學(xué)方法（R樹等） Z曲線：nHilbert曲線：【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)管理方式l 1、文件管理 shp文件等l 2、文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理l 3、關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理 ArcGIS、MapGIS、SuperMap等l 4、面

13、向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理 發(fā)展趨勢l 5、對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理 Oracle Spatial （包含對象數(shù)據(jù)類型SDO-GEOMETRY、索引、操作等）【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)管理方式l1、文件管理GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)文件文件管理系統(tǒng)標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)管理方式l2、文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)據(jù)文件文件管理系統(tǒng)標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原

14、理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)管理方式l3、關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)管理方式l4、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)管理方式l5、對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理GIS 應(yīng) 用ORDBMS空 間 數(shù) 據(jù) 庫空 間 對 象 服 務(wù)【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.24.2空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)

15、據(jù)管理方式l實現(xiàn)實例ORACLE SPATIAL空間數(shù)據(jù)存儲解決方案【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.34.3空間數(shù)據(jù)引擎（空間數(shù)據(jù)引擎（SDESDE）l1、什么是SDEl2、SDE需要解決的問題空間對象提取、分析空間屬性統(tǒng)一管理并發(fā)訪問長事務(wù)管理【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.34.3空間數(shù)據(jù)引擎（空間數(shù)據(jù)引擎（SDESDE）lSDE工作原理SDE服務(wù)器處理程序DBMS服務(wù)器端SDE客戶端客戶端【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.34.3

16、空間數(shù)據(jù)引擎（空間數(shù)據(jù)引擎（SDESDE）lSDE的作用 （1）與空間數(shù)據(jù)庫聯(lián)合，為任何支持的用戶提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)。 （2）提供開放的數(shù)據(jù)訪問，通過TCP/IP橫跨任何同構(gòu)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，支持分布式的GIS系統(tǒng)。 （3）SDE對外提供了空間幾何對象模型，用戶可以在此模型基礎(chǔ)之上建立空間幾何對象，并對這些幾何對象進行操作。 （4）快速的數(shù)據(jù)提取和分析。SDE提供快速的空間數(shù)據(jù)提取和分析功能，可進行基于拓撲的查詢、緩沖區(qū)分析、疊加分析、合并和切分等?！究臻g數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.34.3空間數(shù)據(jù)引擎（空間數(shù)據(jù)引擎（SDESDE） （5）SDE提供

17、了連接DBMS數(shù)據(jù)庫的接口，其他的一切涉及到與DBMS數(shù)據(jù)庫進行交互的操作都是在此基礎(chǔ)之上完成。 （6）與空間數(shù)據(jù)庫聯(lián)合可以管理海量空間信息，SDE在用戶與物理數(shù)據(jù)的遠程存儲之間構(gòu)建了一個抽象層，允許用戶在邏輯層面上與數(shù)據(jù)庫交互，而實際的物理存儲則交由數(shù)據(jù)庫來管理。數(shù)據(jù)的海量是由空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來保障的?！究臻g數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.34.3空間數(shù)據(jù)引擎（空間數(shù)據(jù)引擎（SDESDE） （7）無縫的數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲。傳統(tǒng)的地理信息的存儲方式是將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分別存儲，空間數(shù)據(jù)因其復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，多以文件的形式保

18、存，而屬性數(shù)據(jù)多利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲。而SDE涉及空間屬性數(shù)據(jù)在DBMS中如何存儲及管理，通過SDE，則可以把這兩種數(shù)據(jù)同時存儲到數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)空間屬性數(shù)據(jù)一體化管理，保證了更高的存儲效率和數(shù)據(jù)完整性。 （8）并發(fā)訪問。SDE與空間數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，提供空間數(shù)據(jù)的并發(fā)響應(yīng)機制。用戶對數(shù)據(jù)的訪問是動態(tài)的，透明的。【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.34.3空間數(shù)據(jù)引擎（空間數(shù)據(jù)引擎（SDESDE）l空間數(shù)據(jù)引擎實例空間數(shù)據(jù)引擎實例lMapInfo公司的公司的Spatial WarelArcGIS空間數(shù)據(jù)引擎空間數(shù)據(jù)引擎l國內(nèi)國內(nèi)SuperMap公司的公

19、司的XSDE【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.44.4空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接l4種連接方式【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.54.5空間數(shù)據(jù)組織空間數(shù)據(jù)組織l1、縱向分層l2、橫向分塊經(jīng)緯分幅矩形分幅l3、分層分塊索引l4、三維空間數(shù)據(jù)組織三維空間索引金字塔式數(shù)據(jù)組織【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.54.5空間數(shù)據(jù)組織空間數(shù)據(jù)組織l1、縱向分層點層線層面層點層線層面層道路層管線層建筑物層水系層植被層地形層垣柵層其它層境界線及控制點層公共坐標(biāo)系統(tǒng)【空間數(shù)據(jù)庫原理空間數(shù)據(jù)庫原理】 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院4.54.5空間數(shù)據(jù)組織空間數(shù)據(jù)組織l2、橫向分塊經(jīng)緯分幅矩形分幅118500，21000121500，21000MAP1MAP4MAP2MAP3MAP5MAP6MAP7MAP8MAP9MAP10118