地理信息系統(tǒng) 第五章 空間數(shù)據(jù)組織與管理

學習目標：掌握數(shù)據(jù)的層次單位了解數(shù)據(jù)間的邏輯關系了解常用的數(shù)據(jù)文件了解數(shù)據(jù)庫的根本概念理解數(shù)據(jù)庫模型理解數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平安和數(shù)據(jù)更新理解矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的管理方式重點：數(shù)據(jù)庫模型的分類和特點難點：面向對象的數(shù)據(jù)庫模型第五章空間數(shù)據(jù)組織與管理3/8/20231西北大學城市與資源學系第一節(jié)數(shù)據(jù)層次與文件組織數(shù)據(jù)層次〔數(shù)據(jù)項、記錄、文件、數(shù)據(jù)庫〕數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系〔一對一、一對多、多對多〕用數(shù)據(jù)文件〔順序、直接、索引、到排文件〕3/8/20232西北大學城市與資源學系文件記錄數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項組邏輯數(shù)據(jù)單位之間的關系物理單位:位(比特)、字節(jié)、字、塊(物理記錄)、桶和卷邏輯單位:數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)項組、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫一、數(shù)據(jù)的層次單位3/8/20233西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項組記錄文件數(shù)據(jù)庫最根本的不可分割的數(shù)據(jù)單位,具有獨立的邏輯意義邏輯上具有某種共同標志的假設干數(shù)據(jù)項組成的數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)項組集合,對文件進行存取操作的根本單位給定類型邏輯記錄的全部具體值的集合文件的集合，文件之間存在某種聯(lián)系，不能孤立存在3/8/20234西北大學城市與資源學系二、常用數(shù)據(jù)文件順序文件隨機文件索引文件倒排文件它是物理順序與邏輯順序一致的文件3/8/20235西北大學城市與資源學系順序文件隨機文件索引文件倒排文件文件中的貯存是根據(jù)記錄關鍵字的值，通過某種轉換方法得到一個物理存貯位置，然后把記錄存貯在該位置上。二、常用數(shù)據(jù)文件3/8/20236西北大學城市與資源學系順序文件隨機文件索引文件倒排文件即帶有索引的文件，它只能建立在隨機存取介質(zhì)上。二、常用數(shù)據(jù)文件3/8/20237西北大學城市與資源學系順序文件隨機文件索引文件倒排文件按照一些輔關鍵字來組織索引稱為輔索引，帶有這種輔索引的文件稱為倒排文件。二、常用數(shù)據(jù)文件3/8/20238西北大學城市與資源學系第二節(jié)空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理程序庫(數(shù)據(jù)庫軟件)原始信息數(shù)據(jù)庫3/8/20239西北大學城市與資源學系。。二、數(shù)據(jù)庫分類事物管理數(shù)據(jù)庫地理信息數(shù)據(jù)庫存儲信息特征3/8/202310西北大學城市與資源學系概念模型物理數(shù)據(jù)庫外部模型A外部模型B用戶A1用戶A1用戶B1用戶B1數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)外部/概念映射A外部/概念映射B概念/內(nèi)部映射數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構外部模式外部模式概念模式內(nèi)模式3/8/202311西北大學城市與資源學系〔1〕用戶級用戶使用的數(shù)據(jù)庫對應于外部模式，它是用戶與數(shù)據(jù)庫的接口，也就是用戶能夠看到的那局部數(shù)據(jù)庫，它是數(shù)據(jù)庫的一個子集?！?〕概念級概念數(shù)據(jù)庫對應于概念模式，簡稱模式，是對整個數(shù)據(jù)庫的邏輯描述，也就是數(shù)據(jù)庫管理員看到的數(shù)據(jù)庫?！?〕物理級物理數(shù)據(jù)庫對應于內(nèi)模式，又稱為存貯模式，內(nèi)模式描述的是數(shù)據(jù)在存貯介質(zhì)上的物理配置與組織，是存放數(shù)據(jù)的實體，也是系統(tǒng)程序員才能看到的數(shù)據(jù)庫。

3/8/202312西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是處理數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件，應用程序對數(shù)據(jù)庫的操作全部通過DBMS進行。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)3/8/202313西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊

提供書寫各種模式的語言及其支撐軟件，并把各種定義信息也存貯于系統(tǒng)之中。它勾畫出數(shù)據(jù)庫的框架。3/8/202314西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊應用數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)庫a)鍵盤輸入；b)接受另一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件3/8/202315西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊運行控制數(shù)據(jù)存取、更新數(shù)據(jù)完整性、有效性數(shù)據(jù)公享3/8/202316西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊重新定義數(shù)據(jù)重新組織性能監(jiān)督與分析數(shù)據(jù)庫整理故障恢復3/8/202317西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊操作系統(tǒng)接口處理各種語言接口遠程操做接口處理3/8/202318西北大學城市與資源學系DBMS組成語言處理程序運行控制程序建立與維護程序數(shù)據(jù)描述語言〔DDL〕數(shù)據(jù)操作語言〔DML〕終端命令解譯系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)更新并發(fā)控制數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)裝入性能監(jiān)控工作日志重新組織數(shù)據(jù)轉儲系統(tǒng)恢復SQL語言：數(shù)據(jù)查詢DataQuery數(shù)據(jù)定義

DataDefinition數(shù)據(jù)操縱

DataManipulation數(shù)據(jù)控制DataControl3/8/202319西北大學城市與資源學系OSDBMS應用程序工作區(qū)系統(tǒng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)庫應用程序的外部模型模式存儲模式(1)(8)(7)(6)(3)(4)(5)(2)應用程序對數(shù)據(jù)庫的訪問3/8/202320西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)組織層次數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織一般可以分為四級：數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。1數(shù)據(jù)項：是可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫元素、根本項、字段等。2記錄：由假設干相關聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成。3文件：文件是一給定類型的(邏輯)記錄的全部具體值的集合。4數(shù)據(jù)庫：是比文件更大的數(shù)據(jù)組織。數(shù)據(jù)庫是具有特定聯(lián)系的數(shù)據(jù)的集合，也可以看成是具有特定聯(lián)系的多種類型的記錄的集合。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部構造是文件的集合，這些文件之間存在某種聯(lián)系，不能孤立存在。3/8/202321西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系

數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要是指記錄與記錄之間的聯(lián)系。1、一對一的聯(lián)系(1：1)2、一對多的聯(lián)系(1：N)3、多對多的聯(lián)系(M：N)

A

BAB3/8/202322西北大學城市與資源學系數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中實體與實體之間的聯(lián)系方式，是衡量數(shù)據(jù)庫能力強弱的主要形式之一。每一種數(shù)據(jù)模型都以不同的數(shù)據(jù)抽象與表示能力來反映客觀事物，有其不同的處理數(shù)據(jù)聯(lián)系的方式。數(shù)據(jù)庫領域采用的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關系模型，面向對象模型。3/8/202323西北大學城市與資源學系層次數(shù)據(jù)庫模型

它的特點是將數(shù)據(jù)組織成一對多關系的結構。層次結構采用關鍵字來訪問其中每一層次的每一局部。層次數(shù)據(jù)庫結構特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構等分級數(shù)據(jù)的組織。3/8/202324西北大學城市與資源學系層次數(shù)據(jù)庫模型優(yōu)點：存取方便且速度快結構清晰，容易理解數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)庫擴展容易實現(xiàn)檢索關鍵屬性十分方便缺陷：結構呆板，缺乏靈活性同一屬性數(shù)據(jù)要存儲屢次，數(shù)據(jù)冗余大〔如公共邊〕不適合于拓撲空間數(shù)據(jù)的組織3/8/202325西北大學城市與資源學系網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型網(wǎng)絡模型用連接指令或指針來確定數(shù)據(jù)間的顯式連接關系，是具有多對多類型的數(shù)據(jù)組織方式。系名化學系教師數(shù)學生數(shù)研究生系名數(shù)學系教師數(shù)49學生數(shù)257研究生71學校名稱徐州師大系名城環(huán)系教師數(shù)52學生數(shù)300研究生70系名教師數(shù)學生數(shù)研究生系名教師數(shù)學生數(shù)學號002312姓名張三年級3籍貫廣東系名教師數(shù)學生數(shù)研究生系名教師數(shù)學生數(shù)教師號66姓名王一年齡30職稱教授系名教師數(shù)學生數(shù)研究生系名教師數(shù)學生數(shù)課程號A01課程名GIS周學時4學分5系名教師數(shù)系名學號002312課程號A013/8/202326西北大學城市與資源學系網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型優(yōu)點：能明確而方便地表示數(shù)據(jù)間的復雜關系數(shù)據(jù)冗余小缺陷：網(wǎng)狀結構的復雜，增加了用戶查詢和定位的困難。需要存儲數(shù)據(jù)間聯(lián)系的指針，使得數(shù)據(jù)量增大數(shù)據(jù)的修改不方便〔指針必須修改〕3/8/202327西北大學城市與資源學系關系數(shù)據(jù)庫模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6關系數(shù)據(jù)庫模型是以記錄組或數(shù)據(jù)表的形式組織數(shù)據(jù)，以便于利用各種地理實體與屬性之間的關系進行存儲和變換，不分層也無指針，是建立空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間關系的一種非常有效的數(shù)據(jù)組織方法。點3/8/202328西北大學城市與資源學系關系數(shù)據(jù)模型優(yōu)點：結構特別靈活，滿足所有布爾邏輯運算和數(shù)學運算規(guī)那么形成的查詢要求能搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù)增加和刪除數(shù)據(jù)非常方便缺陷：數(shù)據(jù)庫大時，查找滿足特定關系的數(shù)據(jù)費時對空間關系無法滿足3/8/202329西北大學城市與資源學系面向對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

面向對象〔object-oriented，oo〕的概念起源于程序設計語言——面向對象的編程語言(簡稱OOPL)，強調(diào)對象概念的統(tǒng)—，引入對象、對象類、方法、實例等概念和術語，采用動態(tài)聯(lián)編和單繼承性機制。它以OOPL為核心，集各種軟件開發(fā)工具為一體，建立OO計算環(huán)境，配有很強的圖形功能和多窗口用戶界面。根本出發(fā)點就是以對象作為最根本的元素，盡可能按照人類認識世界的方法和思維方式來分析和解決問題。3/8/202330西北大學城市與資源學系對象：是對客觀世界實體的抽象描述，由信息〔數(shù)據(jù)〕和對數(shù)據(jù)的操作組合而成。類：是對多個相似對象共同特性的描述。消息：是對象之間通信的手段，用來指示對象的操作。分公有消息和私有消息。方法：是對象接收到消息后應采取的動作序列的描述。實例：是由一特定類描述的具體對象。元類：是相似的類的共同屬性的抽象，元類的實例是類，類的實例是對象。對象具有封裝性和繼承性，涉及到分類〔classification〕、概括〔generalization〕、聚集〔aggregation〕、聯(lián)合〔association〕、繼承〔inheritance〕和傳播〔propagation〕等概念。根本概念3/8/202331西北大學城市與資源學系根本概念協(xié)議：是一個對象對外效勞的說明。封裝：是將某件實物包圍起來，使外界不必知道其實際內(nèi)容。繼承：從某類對象得到另一類對象的特征和能力。如飯店子類從建筑物類繼承地址、建筑日期等屬性。引入類的繼承，就出現(xiàn)了類的層次結構，也就有了超類〔基類〕、子類〔派生類〕的概念。3/8/202332西北大學城市與資源學系根本概念概括：是把一組具有相同特征和操作的對象歸納在一個更一般的超類中。聯(lián)合：是相似對象的抽象組合，可看作是更高層次的集合對象。如西安市是新城區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)等區(qū)的聯(lián)合。又聯(lián)合關系的對象叫成員。聚集：是類似于聯(lián)合的抽象化概念，不強調(diào)整個對象的具體細節(jié)，例如建筑物是墻、窗、門、房頂和樓板幾局部的聚集。傳播：作為聯(lián)合和聚集的一種工具，通過一種強制性的手段將子對象的屬性信息傳遞給復雜對象。例如西安市大學生數(shù)量可以由各個大學的學生數(shù)求和派生得到。3/8/202333西北大學城市與資源學系面向對象的幾何抽象類型

GIS中的各種地物，在幾何性質(zhì)方面不外乎表現(xiàn)為四種類型，即點狀地物、線狀處物、面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物，因而這四種類型可以作為GIS中各種地物類型的超類。3/8/202334西北大學城市與資源學系面向對象的屬性數(shù)據(jù)模型

GIS中的地物可根據(jù)國家分類標準或實際情況劃分類型。如一個大學GIS的對象可分為建筑物、道路、綠化、管線等幾大類，地物類型的每一大類又可以進一步分類，如建筑物可再分成教學樓、科研實驗樓、行政辦公樓、教工住宅、學生宿舍、后勤效勞建筑、體育樓等子類，管線可再分為給水管道、污水管道、電信管道、供熱管道、供氣管道等，另一方面，幾種具有相同屬性和操作的類型可綜合成一個超類。3/8/202335西北大學城市與資源學系面向對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

面向對象的數(shù)據(jù)模型從概念上將人們對GIS的理解提高到了一個新的高度。一方面，它巧妙地容納了GIS中拓撲數(shù)據(jù)結構的思想，能有效地表達空間數(shù)據(jù)的拓撲關系。另一方面，面向對象數(shù)據(jù)模型在表達和處理屬性數(shù)據(jù)時，又具有許多獨特的優(yōu)越性。目前，采用面向對象數(shù)據(jù)模型，建立面向對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主要有三種實現(xiàn)方式：擴充面向對象程序設計語言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性擴充RDBMS，在RDBMS中增加面向對象的特性建立全新的支持面向對象數(shù)據(jù)模型的OODBMS

3/8/202336西北大學城市與資源學系吉奧之星中的空間對象模型

3/8/202337西北大學城市與資源學系空間數(shù)據(jù)庫概述空間數(shù)據(jù)庫定義：空間數(shù)據(jù)庫是某一區(qū)域內(nèi)關于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合特點：數(shù)據(jù)量特別大屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理數(shù)據(jù)應用范圍廣泛空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)特征1空間特征2非結構化特征3空間關系特征4多尺度與多態(tài)性5分類編碼特征6海量數(shù)據(jù)特征3/8/202338西北大學城市與資源學系

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)連續(xù)性/相關性不連續(xù)相關性小連續(xù)較強空間相關性實體類型/空間關系少簡單固定多復雜且不固定記錄長度結構化等長非結構化不等長查詢與操作文字、數(shù)字文字數(shù)字空間圖形3/8/202339西北大學城市與資源學系矢量數(shù)據(jù)管理方案基于文件與關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)混合管理方案基于關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案基于對象—關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案。3/8/202340西北大學城市與資源學系文件關系數(shù)據(jù)庫混合管理方案幾何數(shù)據(jù)采用圖形文件管理，功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的平安性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面，比商用數(shù)據(jù)庫要遜色得多。空間數(shù)據(jù)分開存儲，數(shù)據(jù)的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件：Arc/Info，MGE，GenMap等幾何數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)ID數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫早期圖形用戶界面圖形處理DBMS屬性用戶界面圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫高級語言ODBC協(xié)議GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫高級語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)庫開發(fā)3/8/202341西北大學城市與資源學系全關系式數(shù)據(jù)庫管理方案屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時采用關系式數(shù)據(jù)庫進行管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)不必進行煩瑣的連接，數(shù)據(jù)存取較快屬間接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復雜的空間操作GIS軟件：System9，SmallWorld、Geovision等GIS界面屬性數(shù)據(jù)（定長記錄）空間數(shù)據(jù)（變長記錄）DBMS空間數(shù)據(jù)庫關系表二進制塊3/8/202342西北大學城市與資源學系

對象關系數(shù)據(jù)庫管理方案對現(xiàn)有的關系數(shù)據(jù)庫進行擴展，增加空間數(shù)據(jù)類型解決了空間數(shù)據(jù)變長記錄的存儲問題，由數(shù)據(jù)庫軟件商開發(fā)，效率較高用戶不能根據(jù)GIS要求進行空間對象的再定義，因而不能將設計的拓撲結構進行存儲，沒有解決數(shù)據(jù)的嵌套紀錄問題

GIS軟件：TIGER，Geo++、GeoTropics等GIS界面空間數(shù)據(jù)處理DBMS空間數(shù)據(jù)庫擴充實體類型（點、線、面、圓等）3/8/202343西北大學城市與資源學系柵格數(shù)據(jù)的管理基于文件的影像數(shù)據(jù)庫管理文件結合數(shù)據(jù)庫影像管理基于關系數(shù)據(jù)庫管理3/8/202344西北大學城市與資源學系目前大局部GIS軟件和遙感圖像處理軟件都是采用文件管理方式來管理遙感影像數(shù)據(jù)缺點：無法應付數(shù)據(jù)的平安性、并發(fā)控制和數(shù)據(jù)共享文件管理形式的影像數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)001影像數(shù)據(jù)002影像數(shù)據(jù)003影像數(shù)據(jù)004影像數(shù)據(jù)005文件管理方式3/8/202345西北大學城市與資源學系影像數(shù)據(jù)按照文件方式組織管理在關系數(shù)據(jù)庫中，每個文件都有唯一的標識號對應影像信息文件-數(shù)據(jù)庫管理方式文件管理形式的影像數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)001影像數(shù)據(jù)002影像數(shù)據(jù)003影像數(shù)據(jù)004影像數(shù)據(jù)005011002Image005011001Image004011003Image003…………011002Image002011001Image001塊號影像名稱影像信息數(shù)據(jù)庫表影像數(shù)據(jù)的文件管理3/8/202346西北大學城市與資源學系關系數(shù)據(jù)庫管理基于擴展關系數(shù)據(jù)庫的影像數(shù)據(jù)管理是將影像數(shù)據(jù)存儲在二進制變長字段中，然后應用程序通過數(shù)據(jù)訪問接口來訪問數(shù)據(jù)庫中的影像數(shù)據(jù)，同時影像數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息存放在關系數(shù)據(jù)庫的表中，二者可以進行無縫管理。特點：所有數(shù)據(jù)集中存儲，數(shù)據(jù)平安，易于共享較方便管理多數(shù)據(jù)源和多時態(tài)的數(shù)據(jù)支持事務處理和并發(fā)控制，有利于多用戶的訪問與共享影像數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)集成到一起，能方便的進行交互式查詢對C/S的分布式應用支持較好