地理信息系統(tǒng)概論：第三講 空間數(shù)據(jù)庫2013

第三講：空間數(shù)據(jù)庫地理信息系統(tǒng)GIS地理信息系統(tǒng)概論地理信息系統(tǒng)概論第三講：空間數(shù)據(jù)庫1、數(shù)據(jù)庫2、空間數(shù)據(jù)庫3、空間數(shù)據(jù)庫設計4、空間數(shù)據(jù)庫模型5、空間數(shù)據(jù)查詢與訪問SDE6、空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展趨勢地理信息系統(tǒng)概論1、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫就是為了一定的目的，在計算機系統(tǒng)中以特定的結構組織、存儲、管理和應用的相關聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)表n數(shù)據(jù)表1數(shù)據(jù)表2數(shù)據(jù)表3......多個數(shù)據(jù)項多條記錄多個數(shù)據(jù)項多條記錄多個數(shù)據(jù)項多條記錄多個數(shù)據(jù)項多條記錄數(shù)據(jù)項關聯(lián)RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)概論地理信息系統(tǒng)概論1、數(shù)據(jù)庫RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)概論2、空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫特征（時間、空間、屬性、關系）1）空間特征2）非結構化特征3）空間關系特征

4）分類編碼特征5）海量數(shù)據(jù)特征

一種地物類型對應一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文件。組織

拓撲數(shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護增加了復雜性。

拓撲關系的構建

結構化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項是原子數(shù)據(jù).而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。

一般需要建立空間索引。地理信息系統(tǒng)概論2、空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫是存取、管理空間信息的數(shù)據(jù)庫。是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基礎上，擴展了空間圖形信息的存取、管理?？臻g數(shù)據(jù)庫概念RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)概論地理信息系統(tǒng)概論RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)概論地理信息系統(tǒng)概論2、空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫組成硬件操作系統(tǒng)DBMS，編譯系統(tǒng)應用開發(fā)工具軟件應用系統(tǒng)PB,VB,VCDELPHIOracle,Db2,Sybase,SQLServer,Informix2、空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫常見概念1、實體2、屬性3、碼4、域5、實體集6、聯(lián)系3、空間數(shù)據(jù)庫設計空間數(shù)據(jù)庫設計現(xiàn)實世界地理實體數(shù)據(jù)層設計結構設計需求分析數(shù)據(jù)字典設計

空間數(shù)據(jù)庫的設計是指在現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎上建立空間數(shù)據(jù)庫的整個過程。結構設計

指空間數(shù)據(jù)結構設計，結果是得到一個合理的空間數(shù)據(jù)模型，是空間數(shù)據(jù)庫設計的關鍵。

空間數(shù)據(jù)庫設計的實質是將地理空間實體以一定的組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程，也就是地理信息系統(tǒng)中空間實體的模型化問題。現(xiàn)實世界地理實體邏輯模型物理模型概念模型需求分析結構設計數(shù)據(jù)層設計

GIS的數(shù)據(jù)可以按照空間數(shù)據(jù)的邏輯關系或專業(yè)屬性分為各種邏輯數(shù)據(jù)層或專業(yè)數(shù)據(jù)層，原理上類似于圖片的疊置。

例如，地形圖數(shù)據(jù)可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民地等諸層分別存貯。將各層疊加起來就合成了地形圖的數(shù)據(jù)。在進行空間分析、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示時，往往只需要若干相應圖層的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)層的設計一般是按照數(shù)據(jù)的專業(yè)內容和類型進行的。數(shù)據(jù)的專業(yè)內容的類型通常是數(shù)據(jù)分層的主要依據(jù)，同時也要考慮數(shù)據(jù)之間的關系。如需考慮兩類物體共享邊界(道路與行政邊界重合、河流與地塊邊界的重合)等，這些數(shù)據(jù)間的關系在數(shù)據(jù)分層設計時應體現(xiàn)出來。

不同類型的數(shù)據(jù)由于其應用功能相同，在分析和應用時往往會同時用到，因此在設計時應反映出這樣的需求，即可將這些數(shù)據(jù)作為一層。（如道路、加油站、停車場—交通層）

最后得出各層數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，各層數(shù)據(jù)的屬性內容和屬性表之間的關系等。數(shù)據(jù)字典設計

數(shù)據(jù)字典用于描述數(shù)據(jù)庫的整體結構、數(shù)據(jù)內容和定義等。一個好的數(shù)據(jù)字典可以說是一個數(shù)據(jù)的標準規(guī)范，它可使數(shù)據(jù)庫的開發(fā)者依此來實施數(shù)據(jù)庫的建立、維護和更新。數(shù)據(jù)字典的內容包括：數(shù)據(jù)庫的總體組織結構、數(shù)據(jù)庫總體設計的框架、各數(shù)據(jù)層詳細內容的定義及結構、數(shù)據(jù)命名的定義、元數(shù)據(jù)（有關數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是對一個數(shù)據(jù)集的內容、質量條件及操作過程等的描述）等內容。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、空間數(shù)據(jù)庫設計空間數(shù)據(jù)庫模型實體間關系

4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型

空間實體之間的聯(lián)系可以從時間、空間和屬性三個方面加以考察。對空間客體及其聯(lián)系的數(shù)學描述，可以用數(shù)據(jù)模型這個概念進行概括。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中通常采用的數(shù)據(jù)模型有：層次模型、網(wǎng)狀模型、關系模型、語義模型、面向對象模型4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——層次模型

層次數(shù)據(jù)模型描述了各類客體及客體類之間的聯(lián)系。每一個客體類最多只能有一個雙親客體類，而一個雙親客體類則可有多個子女客體類。雙親和子女客體類之間形成了所謂的層次關系。在層次數(shù)據(jù)模型中，記錄被表示為樹型結構的一個結點。擁有多于一個雙親的客體類必然在數(shù)據(jù)庫中要重復出現(xiàn)多次。4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——層次模型

4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——層次模型

4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——網(wǎng)狀模型

網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型以系結構為基礎，系由屬于兩個不同客體類（即首、屬兩個客體類）的客體所組成。每個系中只包含一個屬于首客體類的客體，以及若干個屬于屬客體類的客體。4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——關系模型

用二維表來表示實體及其相互聯(lián)系。姓名性別出生日期職務張三男1957/12/01處長李四女1965/11/25科長王五男1978/04/08科員表頭表格

數(shù)據(jù)庫的總體設計稱作數(shù)據(jù)庫的模式，如上面的“表頭”。隨著時間的推移，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會發(fā)生變化。特定時刻存儲在數(shù)據(jù)庫中信息的集合稱作數(shù)據(jù)庫的一個實例，如表中的“表格”。4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——關系模型

1、關系：一個關系對應于我們平常所說的一張表；2、元組：表中的一行稱為一個元組；3、屬性：表中的一列稱為屬性，給每一列取一個名稱即為屬性名；4、主碼：表中的某個屬性組，他們的值唯一地標識一個元組；5、域：屬性的取值范圍；6、分量：元組中的一個屬性值；7、關系模式：對關系的描述，用關系名（屬性名1，屬性名2，….，屬性名n）來表示。4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——關系模型

概念設計和邏輯設計數(shù)據(jù)依賴函數(shù)依賴主關鍵字決定關系模式中的非關鍵字完全函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴多值依賴NF第一范式第二范式第三范式BC范式三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的比較表示空間信息的層次模型1、它的特點是將數(shù)據(jù)組織成一對多關系的結構。2、層次結構采用關鍵字來訪問其中每一層次的每一部分。3、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。層次模型表示空間數(shù)據(jù)的缺陷優(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)要存儲多次，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。表示空間信息的網(wǎng)絡模型MⅠⅡabcdefg123456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。網(wǎng)絡模型表示空間信息的缺陷優(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）表示空間信息的關系模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6點關系數(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。關系模型表示空間信息的缺陷優(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)則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4、空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫模型——語義模型

語義模型的模型結構由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述客體的基本語義特性，再根據(jù)語義模型結構規(guī)則把這些抽象有機地組織起來。由于語義模型不具有避免異常和消除冗余的準則，所以需要與關系模型在設計的不同階段相互配合，以求達到最佳的設計效果。最常用的語義模型之一是實體聯(lián)系模型（entity-relationshipmodel,E-R模型）。

語義模型的模型結構是由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述實體的基本語義特性，根據(jù)語義模型結構規(guī)則,把這些抽象有機的組織起來。語義模型是概念模型的一種，是對信息世界建模，表示方法有多種，其中實體聯(lián)系方法(Entity-RelationshipApproach)得到廣泛應用，該方法用E-R圖來描述現(xiàn)實世界，用于建立概念模型。一、語義數(shù)據(jù)模型（E-R模型）空間數(shù)據(jù)庫模型——語義模型

①實體型實體是對客觀存在的起獨立作用的客體的一種抽象。②屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體聯(lián)系起來③聯(lián)系是客體間有意義的相互作用或對應關系。一般分為三種聯(lián)系：一對一(1:1)，一對多(1:N)，多對多(M:N)。E-R圖表達的三種語義空間數(shù)據(jù)庫模型——語義模型

課程（課程號，課程名稱，學時，性質）學生（學號，姓名，性別，專業(yè)）成績（學號，課程號，分數(shù)）選修課程學生mn課程號名稱學時性質學號姓名性別專業(yè)分數(shù)空間數(shù)據(jù)庫模型—面向對象模型

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。

基本出發(fā)點就是以“對象”作為最基本的元素，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。4、空間數(shù)據(jù)庫模型面向對象的基本概念1、對象2、類3、實例4、消息1、對象1、對象：

含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。如一個城市、一棵樹均可作為地理對象?！锞哂幸粋€唯一的標識，以表明其存在的獨立性；★具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)——靜態(tài)屬性—數(shù)據(jù)；★具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)?！饔谩⒐δ堋瘮?shù)、方法。對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質相聯(lián)系，不同的目的就會有不同劃分。劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象。2005-07-19重慶交通學院測繪與國土信息系Liugd2、類2、類：

共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類。類是對象集合的抽象。

如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。2005-07-19重慶交通學院測繪與國土信息系Liugd3、實例3、實例

被抽象的對象，類的一個具體對象，稱為，如長江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層關系。類---申請實例---成為具體對象。類實例1實例22005-07-19重慶交通學院測繪與國土信息系Liugd4、消息4、消息：

對象之間的請求和協(xié)作。（并不獨立存在）對象之間的關系，如鼠標點，就是消息，點某按紐，就是對按紐提出請求。對象1對象2請求和協(xié)作消息現(xiàn)實世界抽象實例現(xiàn)實世界對象1對象2對象3抽象屬性數(shù)據(jù)行為方法類實例方法、消息面向對象的幾何數(shù)據(jù)模型

從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成?？臻g地物復雜地物簡單地物面域弧段節(jié)點面狀地物線狀地物點狀地物

一個面狀地物是由邊界弧段和中間面域組成，弧段又涉及到節(jié)點和中間點坐標。或者說，節(jié)點的坐標傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯(lián)合組成復雜地物。復雜地物實例拓撲關系與面向對象模型

將每條弧段的兩個端點（通過它們與另外的弧段公用）抽象出來，建立單獨的節(jié)點對象類型，而在弧段的數(shù)據(jù)文件中，設立兩個節(jié)點子對象標識號，即用“傳播”的工具提取節(jié)點文件的信息。面標識弧段標識……弧段標識起節(jié)點終節(jié)點中間點串…………節(jié)點標識XYZ…………面域文件弧段文件節(jié)點文件拓撲關系與數(shù)據(jù)共享

這一模型既解決了數(shù)據(jù)共享問題，又建立了弧段與節(jié)點的拓撲關系。同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數(shù)據(jù)共享和幾何拓撲關系的建立也達到一致。面向對象的屬性數(shù)據(jù)模型

面向對象數(shù)據(jù)模型是在包含RDBMS的功能基礎上，增加面向對象數(shù)據(jù)模型的封裝、繼承和信息傳播等功能。

耕地園地林地居民地牧草地未用地交通用地水域GIS城鎮(zhèn)農村居民點工礦地控制點電力設施公園

街道建筑物操作：查詢插入刪除屬性：標識碼區(qū)號街道號房主等建筑日期：職員庫操作屬性職員編號工資姓名飯店設施庫房間床位操作屬性工廠醫(yī)院學校居民住宅飯店商店郵局銀行面向對象抽象——地理信息如何將地理要素轉換成計算機能識別的地理信息？是建立地理信息系統(tǒng)的第一步??！面向對象的地理數(shù)據(jù)模型的特點可充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點。具有可擴充性。由于對象是相對獨立的，因此可以很自然和容易地增加新的對象，并且對不同類型的對象具有統(tǒng)一的管理機制。c)可以模擬和操縱復雜對象。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是面向簡單對象的，無法直接模擬和操縱復雜實體，而面向對象的數(shù)據(jù)模型具備對復雜對象進行模擬和操縱的能力。

在GIS中建立面向對象的數(shù)據(jù)模型時，對象的確定還沒有統(tǒng)一的標準，但是，對象的建立應符合人們對客觀世界的理解，并且要完整地表達各種地理對象，及它們之間的相互關系?；趯ο蟆P系的SDBMS可能成為GIS空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展的主流。

空間數(shù)據(jù)的查詢是GIS最基本的功能，它是GIS高層次空間分析的基礎，也是GIS面向用戶的直接窗口。在GIS中，用戶的很多問題可通過查詢解決，查詢還能派生新數(shù)據(jù)。一、空間數(shù)據(jù)查詢的類型空間數(shù)據(jù)查詢類型基于空間特性的查詢結合空間特性和非空間（屬性）特征的查詢基于屬性（非空間）特征的查詢5、空間數(shù)據(jù)查詢與訪問空間數(shù)據(jù)引擎SDE采用關系數(shù)據(jù)庫與文件混合管理模式的傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術，在應用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理，總體上無法達到數(shù)據(jù)庫技術冗余度、獨立性等要求，用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術統(tǒng)一存放和管理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)是GIS發(fā)展的必然趨勢。1996年，ESRI公司與Oracle等數(shù)據(jù)庫開發(fā)商合作，開發(fā)出一種能將空間圖形數(shù)據(jù)也存放到大型關系數(shù)據(jù)庫中管理的產(chǎn)品，將其定名為“spatialdatabaseengine”，簡稱SDE，即為“空間數(shù)據(jù)庫引擎”。

屬性特征的查詢主要在屬性數(shù)據(jù)庫中完成，這種查詢通常基于標準的SQL查詢語言實現(xiàn)，之后按照屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的對應關系顯示圖形。1、基于屬性（非空間）特征的查詢標號植被面積101工業(yè)地169102林地122103農地230104林地100基于屬性（非空間）特征的查詢例：已有某地區(qū)的土地利用表及相應的圖，現(xiàn)要找到林地，通過對下列屬性數(shù)據(jù)表查找植被為林地的記錄，并顯示這些記錄相應的空間位置。

1021041031015、空間數(shù)據(jù)查詢與訪問(1)空間幾何數(shù)據(jù)查詢(2)空間位置查詢(3）空間關系查詢5、空間數(shù)據(jù)查詢與訪問2、基于空間特性的查詢①同類要素間②不同類要素間3、結合空間特性和非空間（屬性）特征的查詢

空間特征和屬性特征的聯(lián)合查詢不是簡單地由定位空間特性查詢結果，顯示相關的屬性，也不是從屬性特征的查詢結果，顯示相關的空間位置?？臻g特征和屬性特征聯(lián)合查詢的實質是指查詢條件中同時涉及空間特征和屬性特征。例：從中國地圖上查同北京的距離(查空間中距離)小于2000km、長江以南(查空間中位置)、人口數(shù)大于100萬的城市。本例中查人口數(shù)大于100萬的城市，屬于屬性查詢；查同北京的距離(查空間中距離)小于2000km的城市，屬于空間距離查詢；查長江以南的城市，屬于方位查詢。

5、空間數(shù)據(jù)查詢與訪問二、空間數(shù)據(jù)查詢的數(shù)學基礎

主要使用布爾代數(shù)方法，即按照兩個邏輯子集在給定的條件下進行邏輯運算。它的基本運算符號或算子包括3個，交、并、差。AND(交)OR（并）NOT（差）及其組合邏輯運算的結果為“真”或“假”。5、空間數(shù)據(jù)查詢與訪問三、空間查詢的方法如S