空間數(shù)據(jù)庫緒論

空間數(shù)據(jù)庫

SpatialDatabase資環(huán)學(xué)院張明明TelQ:58162544E_mail:mm81_0@126.com教材與參考書籍教材：郭際元、周順平、劉修國編著，《空間數(shù)據(jù)庫》，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院參考書籍：1.《地理空間數(shù)據(jù)庫原理》，科學(xué)出版社2.《空間數(shù)據(jù)庫》，機械工業(yè)出版社

【作者】（美）ShashiShekhar,SanjayChawla課程考核課時安排：共12學(xué)時。其中上課8學(xué)時，上機4學(xué)時。課程考核：上課，主要考核出勤及聽課情況；上機，主要考核平時上機情況及提交報告的情況；考試，主要考核所學(xué)內(nèi)容的掌握情況。課程安排空間數(shù)據(jù)庫緒論及基本知識2課時幾種新型數(shù)據(jù)庫1課時矢量、柵格地圖數(shù)據(jù)庫1課時面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫1課時三維空間數(shù)據(jù)模型1課時海量空間數(shù)據(jù)組織與管理1課時時態(tài)GIS數(shù)據(jù)庫1課時傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限地理空間數(shù)據(jù)存儲操作的對象可能是一維、二維、三維甚至更高維。一方面我們可以把地理空間數(shù)據(jù)庫看成是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的擴充，另一方面，地理空間數(shù)據(jù)庫突破了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫理論，如將規(guī)范關(guān)系推向非規(guī)范關(guān)系。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只針對簡單對象，無法有效的支持復(fù)雜對象（如圖形、圖像）。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理地理空間數(shù)據(jù)的局限性：1、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理的是不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符；而地理數(shù)據(jù)是連續(xù)的，具有很強的空間相關(guān)性。2、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理的實體類型少，并且實體類型之間通常只有簡單固定的空間關(guān)系；而地理空間數(shù)據(jù)庫的實體類型繁多，實體類型之間存在著復(fù)雜的空間關(guān)系，并且能產(chǎn)生新的關(guān)系。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限3、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存貯的數(shù)據(jù)通常為等長記錄的原子數(shù)據(jù)；而地理空間數(shù)據(jù)通常是結(jié)構(gòu)化的，其數(shù)據(jù)項可能很大，很復(fù)雜，并且變長記錄。4、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫只操縱和查詢文字和數(shù)字信息；而地理空間數(shù)據(jù)庫中需要有大量的空間操作和查詢，如特征提取、影像分割、影像代數(shù)運算、拓撲和相似性查詢等。面向空間認知的地理分析過程概念模型——邏輯模型——物理模型——認知過程分析、識別因子、相互作用分析數(shù)學(xué)模型選擇、幾何模型設(shè)計、參量量化、數(shù)據(jù)綜合處理數(shù)據(jù)加工處理實現(xiàn)、結(jié)果分析、認知實驗基于地圖的空間認知分析示例之一

德國地球物理學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家魏格納，在病床上發(fā)現(xiàn)大西洋兩岸的陸地形狀驚人的相似，尤其是非洲與南美洲，幾乎可以吻合。。。世紀大發(fā)現(xiàn)“大陸漂移學(xué)說”（1910年）30年后，“板塊構(gòu)造學(xué)說”這只“火鳳凰”與重慶生態(tài)、經(jīng)濟、人文、功能神秘對應(yīng)吻合;主城九區(qū)商圈為心臟;長江為主動脈；涪江、嘉陵江、烏江、綦江、芙蓉江、大寧河等水系為靜脈系統(tǒng)；主城九區(qū)為都市發(fā)達經(jīng)濟圈(太陽):頭頸胸腹翅腿相對應(yīng)區(qū)域為經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū);尾、羽、腳爪相對應(yīng)區(qū)域為三峽庫區(qū)生態(tài)經(jīng)濟區(qū);涪陵、萬州兩大工業(yè)城市分布在兩個主要節(jié)點上;江北機場和即將建設(shè)的墊江國際機場均在鳥的翅膀上；人杰地靈的潼南縣(偉人楊尚昆、楊闇公故里)為鳥的頭部示例之二重慶的版圖為一只火鳳凰南京明長城分布結(jié)構(gòu)非正方形、非矩形，將破殘的城墻連接起來，得到一個人的臉譜——明太祖朱元璋示例之三…有趣的是，如果從瀘州、合江縣兩點通過敘水、古藺縣和赤水、仁懷，把川酒分布與貴州西北部赤水河流域的黔酒分布連接起來，你會驚異地發(fā)現(xiàn)，在祖國大西南的地圖上，佇立著一只標準的高腳大酒杯！它以赤水河流域的醬香型國酒茅臺、郎酒等玉液瓊漿為堅實的底座，高高托起濃香型國酒瀘州老窖特曲、宜賓五糧液、成都全興大曲、綿竹劍南春以及各種黃酒、果酒、啤酒、滋補酒等系列名酒，令人驚嘆大自然的鬼斧神工！…示例之四模式、結(jié)構(gòu)是空間目標群分布形成的一種態(tài)勢、一種相互依存的空間構(gòu)架，可以為視覺識別所接受，在視覺判斷中自覺將其歸為一整體構(gòu)造?！?/p>

概念模型通常采用聚類分析示例五：多邊形目標群分布模式識別⑴從整體上看，分形幾何圖形是處處不規(guī)則的。⑵在不同尺度上，圖形的規(guī)則性又是相同的。，它們從整體到局部，都是自相似的。示例六：分形幾何GIS的構(gòu)成地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程1.1空間數(shù)據(jù)庫的定義空間數(shù)據(jù)庫：指以特定的信息結(jié)構(gòu)(如國土、規(guī)劃、環(huán)境、交通等)和數(shù)據(jù)模型(如關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷?表達、存儲和管理從地理空間中獲取的某類空間信息，以滿足不同用戶對空間信息需求的數(shù)據(jù)庫?！?空間數(shù)據(jù)庫概述相關(guān)概念

地理空間：指在現(xiàn)實世界中，地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的部分，地球上最復(fù)雜的物理過程、化學(xué)過程、生物過程和生物地球化學(xué)過程就發(fā)生在該范圍中；同時地理空間還可以認為是物質(zhì)、能量、信息存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)(陳述彭等，2000)?？臻g信息：指在信息世界中有關(guān)地理空間信息，這是對現(xiàn)實世界的第一次抽象，即從現(xiàn)實世界到信息世界。信息結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型：指在計算機世界中，通過抽象、建模形成不同數(shù)據(jù)種類的表示形式，通過空間數(shù)據(jù)庫所建立的數(shù)據(jù)模型(如關(guān)系數(shù)據(jù)模型)來進行存儲、獲取、表達和管理。這是對現(xiàn)實世界的第二次抽象，即從信息世界到計算機世界。1.2空間數(shù)據(jù)庫的特征空間數(shù)據(jù)庫的特征空間特征抽象特征空間關(guān)系特征多尺度與多態(tài)性非結(jié)構(gòu)化特征分類編碼特征海量數(shù)據(jù)特征GIS中空間數(shù)據(jù)的存儲方式有兩類：空間數(shù)據(jù)的文件方式管理加屬性數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理；空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的全關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理。1.3空間數(shù)據(jù)庫的作用

從不同角度考察空間數(shù)據(jù)庫的作用：①從信息抽象體系來看，空間數(shù)據(jù)庫是從現(xiàn)實世界的真實地球到計算機世界中的映射。②從空間信息技術(shù)體系的構(gòu)成看，空間信息技術(shù)體系可以分為三個部分：空間信息獲取技術(shù)，空間信息處理技術(shù)和空間信息應(yīng)用技術(shù)?？臻g信息的獲取技術(shù)是指利用測量、攝影、遙感和GPS等技術(shù)從現(xiàn)實的地理空間中獲取信息的技術(shù)；空間信息處理技術(shù)是指基于特定格式的空間信息集上的某種算法；空間信息應(yīng)用技術(shù)是指從現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)集中，通過空間分析和模型計算，分析出某一空間對象的現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)和變化趨勢的技術(shù)。③從社會需求體系的構(gòu)成看，社會的信息需求中有很多是與空間有關(guān)的。目前主要是政務(wù)需求，現(xiàn)在正在建設(shè)的電子政務(wù)體系共12個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)：辦公業(yè)務(wù)資源系統(tǒng)、宏觀經(jīng)濟管理、金關(guān)、金稅、金財、金卡、金審、金盾、社會保障、金農(nóng)、金水和金質(zhì)一個共同的特點：就是各子系統(tǒng)都基于相同的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。④從國際空間戰(zhàn)略來看，地理空間已作為各個國家共享的資源，所以對地理空間的數(shù)字化管理具有高度戰(zhàn)略意義。在軍事防御、環(huán)境監(jiān)測、資源管理等方面都具有非常重要的意義?！皵?shù)字地球”作為一個戰(zhàn)略目標，當然現(xiàn)在還未能實現(xiàn)。但是從它的技術(shù)框架來看，空間數(shù)據(jù)庫是其中一個很重要的組成部分?，F(xiàn)階段GIS空間數(shù)據(jù)庫存在的問題1）數(shù)據(jù)共享問題數(shù)據(jù)文件格式統(tǒng)一性。地理信息的標準化。數(shù)據(jù)共享的政策。2）數(shù)據(jù)“瓶頸”問題3）數(shù)據(jù)更新問題4）數(shù)據(jù)安全問題§2空間數(shù)據(jù)庫的形成與發(fā)展

2.1數(shù)據(jù)庫發(fā)展綜述

1969年美國IBM公司開發(fā)了第一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)IMS。

同年，美國的數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言委員會(CODASYL)下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組提出了著名的DBTG報告，并在1970年提出了該報告的修訂版。在20世紀70年代開發(fā)了許多遵循DBTG報告的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如IDMS、IDS、DMSIIOO等。20世紀70年代初，CoddE.F.提出了關(guān)系數(shù)據(jù)模型的概念和關(guān)系代數(shù)及關(guān)系演算。SYSTEM、INGRES、ORACLE。1986年美國國家標準協(xié)會(AGISI)通過了關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢語言SQL的文本標準。從20世紀80年代后期到目前為止，出現(xiàn)了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如GemStone、ORION、Iris等。2.2空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷程

1）空間數(shù)據(jù)庫的計算平臺的發(fā)展三個階段：集中式系統(tǒng)階段、經(jīng)典的客戶/服務(wù)器系統(tǒng)階段和分布式計算系統(tǒng)階段，如下圖所示。

2）空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展柵格模型矢量模型對象模型約束數(shù)據(jù)模型3）管理模式的發(fā)展文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向?qū)ο蟮氖笘乓惑w化空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)4）空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1：50000數(shù)據(jù)庫建設(shè)工程通過驗收城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫西部地區(qū)資源環(huán)境基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫

土壤數(shù)據(jù)庫：在國家1：400萬—1：100萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫平臺上，對中國1：100萬土壤資源數(shù)據(jù)進行集成，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的有機整合中國山地災(zāi)害數(shù)據(jù)庫：規(guī)劃有5個方面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，分別是山地災(zāi)害野外臺站觀測數(shù)據(jù)庫、泥石流滑坡分布數(shù)據(jù)庫、泥石流滑坡減災(zāi)工程數(shù)據(jù)庫、山地災(zāi)害專題圖數(shù)據(jù)庫、山地災(zāi)害研究成果數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫分類空間數(shù)據(jù)庫人口數(shù)據(jù)庫生物數(shù)據(jù)庫基因數(shù)據(jù)庫按信息源特征分類關(guān)系數(shù)據(jù)庫層次數(shù)據(jù)庫網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征分類軍事數(shù)據(jù)庫政務(wù)數(shù)據(jù)庫資源數(shù)據(jù)庫財經(jīng)數(shù)據(jù)庫按信息源特征分類數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫軟件產(chǎn)品1、OracleSpatialCartridge(SC)2、Intergraph的GeoMedia系列3、ESRI的