空間數(shù)據(jù)庫(kù)緒論

空間數(shù)據(jù)庫(kù)

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

【作者】（美）ShashiShekhar,SanjayChawla課程考核課時(shí)安排：共12學(xué)時(shí)。其中上課8學(xué)時(shí)，上機(jī)4學(xué)時(shí)。課程考核：上課，主要考核出勤及聽(tīng)課情況；上機(jī)，主要考核平時(shí)上機(jī)情況及提交報(bào)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(kù)緒論及基本知識(shí)2課時(shí)幾種新型數(shù)據(jù)庫(kù)1課時(shí)矢量、柵格地圖數(shù)據(jù)庫(kù)1課時(shí)面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫(kù)1課時(shí)三維空間數(shù)據(jù)模型1課時(shí)海量空間數(shù)據(jù)組織與管理1課時(shí)時(shí)態(tài)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)1課時(shí)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限地理空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作的對(duì)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(kù)看成是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)充，另一方面，地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)突破了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)系統(tǒng)只針對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)象，無(wú)法有效的支持復(fù)雜對(duì)象（如圖形、圖像）。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(qiáng)的空間相關(guān)性。2、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理的實(shí)體類(lèi)型少，并且實(shí)體類(lèi)型之間通常只有簡(jiǎn)單固定的空間關(guān)系；而地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)體類(lèi)型繁多，實(shí)體類(lèi)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(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限3、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存貯的數(shù)據(jù)通常為等長(zhǎng)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(xiàng)可能很大，很復(fù)雜，并且變長(zhǎng)記錄。4、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)只操縱和查詢文字和數(shù)字信息；而地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)算、拓?fù)浜拖嗨菩圆樵兊?。面向空間認(rèn)知的地理分析過(guò)程概念模型——邏輯模型——物理模型——認(rèn)知過(guò)程分析、識(shí)別因子、相互作用分析數(shù)學(xué)模型選擇、幾何模型設(shè)計(jì)、參量量化、數(shù)據(jù)綜合處理數(shù)據(jù)加工處理實(shí)現(xiàn)、結(jié)果分析、認(rèn)知實(shí)驗(yàn)基于地圖的空間認(rèn)知分析示例之一

德國(guó)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(jì)大發(fā)現(xiàn)“大陸漂移學(xué)說(shuō)”（1910年）30年后，“板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)”這只“火鳳凰”與重慶生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、人文、功能神秘對(duì)應(yīng)吻合;主城九區(qū)商圈為心臟;長(zhǎng)江為主動(dòng)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(dá)經(jīng)濟(jì)圈(太陽(yáng)):頭頸胸腹翅腿相對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)榻?jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū);尾、羽、腳爪相對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)槿龒{庫(kù)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū);涪陵、萬(wàn)州兩大工業(yè)城市分布在兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)上;江北機(jī)場(chǎng)和即將建設(shè)的墊江國(guó)際機(jī)場(chǎng)均在鳥(niǎo)的翅膀上；人杰地靈的潼南縣(偉人楊尚昆、楊闇公故里)為鳥(niǎo)的頭部示例之二重慶的版圖為一只火鳳凰南京明長(zhǎng)城分布結(jié)構(gòu)非正方形、非矩形，將破殘的城墻連接起來(lái)，得到一個(gè)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(diǎn)通過(guò)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(lái)，你會(huì)驚異地發(fā)現(xiàn)，在祖國(guó)大西南的地圖上，佇立著一只標(biāo)準(zhǔn)的高腳大酒杯！它以赤水河流域的醬香型國(guó)酒茅臺(tái)、郎酒等玉液瓊漿為堅(jiān)實(shí)的底座，高高托起濃香型國(guó)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(bǔ)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(biāo)群分布形成的一種態(tài)勢(shì)、一種相互依存的空間構(gòu)架，可以為視覺(jué)識(shí)別所接受，在視覺(jué)判斷中自覺(jué)將其歸為一整體構(gòu)造。——

概念模型通常采用聚類(lèi)分析示例五：多邊形目標(biāo)群分布模式識(shí)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(kù)的定義空間數(shù)據(jù)庫(kù)：指以特定的信息結(jié)構(gòu)(如國(guó)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(dá)、存儲(chǔ)和管理從地理空間中獲取的某類(lèi)空間信息，以滿足不同用戶對(duì)空間信息需求的數(shù)據(jù)庫(kù)。§1空間數(shù)據(jù)庫(kù)概述相關(guān)概念

地理空間：指在現(xiàn)實(shí)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(guò)程、化學(xué)過(guò)程、生物過(guò)程和生物地球化學(xué)過(guò)程就發(fā)生在該范圍中；同時(shí)地理空間還可以認(rèn)為是物質(zhì)、能量、信息存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、過(guò)程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時(shí)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(duì)現(xiàn)實(shí)世界的第一次抽象，即從現(xiàn)實(shí)世界到信息世界。信息結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型：指在計(jì)算機(jī)世界中，通過(guò)抽象、建模形成不同數(shù)據(jù)種類(lèi)的表示形式，通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)所建立的數(shù)據(jù)模型(如關(guān)系數(shù)據(jù)模型)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)、獲取、表達(dá)和管理。這是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的第二次抽象，即從信息世界到計(jì)算機(jī)世界。1.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)的特征空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(lèi)編碼特征海量數(shù)據(jù)特征GIS中空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式有兩類(lèi)：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(kù)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(kù)管理。1.3空間數(shù)據(jù)庫(kù)的作用

從不同角度考察空間數(shù)據(jù)庫(kù)的作用：①?gòu)男畔⒊橄篌w系來(lái)看，空間數(shù)據(jù)庫(kù)是從現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)地球到計(jì)算機(jī)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(gè)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(cè)量、攝影、遙感和GPS等技術(shù)從現(xiàn)實(shí)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(guò)空間分析和模型計(jì)算，分析出某一空間對(duì)象的現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)和變化趨勢(shì)的技術(shù)。③從社會(huì)需求體系的構(gòu)成看，社會(huì)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(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)：辦公業(yè)務(wù)資源系統(tǒng)、宏觀經(jīng)濟(jì)管理、金關(guān)、金稅、金財(cái)、金卡、金審、金盾、社會(huì)保障、金農(nóng)、金水和金質(zhì)一個(gè)共同的特點(diǎn)：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(guó)際空間戰(zhàn)略來(lái)看，地理空間已作為各個(gè)國(guó)家共享的資源，所以對(duì)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(cè)、資源管理等方面都具有非常重要的意義。“數(shù)字地球”作為一個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)，當(dāng)然現(xiàn)在還未能實(shí)現(xiàn)。但是從它的技術(shù)框架來(lái)看，空間數(shù)據(jù)庫(kù)是其中一個(gè)很重要的組成部分。現(xiàn)階段GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)存在的問(wèn)題1）數(shù)據(jù)共享問(wèn)題數(shù)據(jù)文件格式統(tǒng)一性。地理信息的標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)共享的政策。2）數(shù)據(jù)“瓶頸”問(wèn)題3）數(shù)據(jù)更新問(wèn)題4）數(shù)據(jù)安全問(wèn)題§2空間數(shù)據(jù)庫(kù)的形成與發(fā)展

2.1數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展綜述

1969年美國(guó)IBM公司開(kāi)發(fā)了第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)IMS。

同年，美國(guó)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)語(yǔ)言委員會(huì)(CODASYL)下屬的數(shù)據(jù)庫(kù)任務(wù)組提出了著名的DBTG報(bào)告，并在1970年提出了該報(bào)告的修訂版。在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)了許多遵循DBTG報(bào)告的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如IDMS、IDS、DMSIIOO等。20世紀(jì)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(AGISI)通過(guò)了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查詢語(yǔ)言SQL的文本標(biāo)準(zhǔn)。從20世紀(jì)80年代后期到目前為止，出現(xiàn)了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如GemStone、ORION、Iris等。2.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展歷程

1）空間數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展三個(gè)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(jì)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(duì)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(kù)混合管理系統(tǒng)全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)面向?qū)ο蟮氖笘乓惑w化空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)4）空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1：50000數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工程通過(guò)驗(yàn)收城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)西部地區(qū)資源環(huán)境基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)

土壤數(shù)據(jù)庫(kù)：在國(guó)家1：400萬(wàn)—1：100萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)上，對(duì)中國(guó)1：100萬(wàn)土壤資源數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的有機(jī)整合中國(guó)山地災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)：規(guī)劃有5個(gè)方面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，分別是山地災(zāi)害野外臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、泥石流滑坡分布數(shù)據(jù)庫(kù)、泥石流滑坡減災(zāi)工程數(shù)據(jù)庫(kù)、山地災(zāi)害專(zhuān)題圖數(shù)據(jù)庫(kù)、山地災(zāi)害研究成果數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)分類(lèi)空間數(shù)據(jù)庫(kù)人口數(shù)據(jù)庫(kù)生物數(shù)據(jù)庫(kù)基因數(shù)據(jù)庫(kù)按信息源特征分類(lèi)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)層次數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征分類(lèi)軍事數(shù)據(jù)庫(kù)政務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)資源數(shù)據(jù)庫(kù)財(cái)經(jīng)數(shù)據(jù)庫(kù)按信息源特征分類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模型空間數(shù)據(jù)庫(kù)軟件產(chǎn)品1、OracleSpatialCartridge(SC)2、Intergraph的GeoMedia系列3、ESRI的