1、空間數據庫導論講稿第1頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五各類空間及其共性三、空間數據庫是一個通用概念: 空間數據庫原理與技術適用于上述各類空間，但不同空間具有各自的特點，針對不同空間的空間數據庫在數據模型和具體結構上具有一定差異。 地理空間是最大、最復雜的一種空間，地理空間數據庫是最復雜的、具有代表性的、應用面最廣的一種空間數據庫。 第2頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五導 論 一、空間數據庫的任務二、地理空間的概念、定位框架與模型三、空間數據的概念與特點四、空間數據管理的復雜性（模型復雜性、 實現復雜性）五、空間數據庫與地理信息系統Back第3

2、頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫的任務 數據庫系統由一個互相關聯的數據集合和一組用以訪問這些數據的程序組成。前者指數據庫本身，后者稱為數據庫管理系統DBMS 。 設計數據庫是為了管理大量信息，數據管理問題涉及信息結構的定義、提供信息操作機制、維持信息正確狀態、保障信息的安全、避免多個用戶共享時的數據異常。 數據庫的三大任務： （1） 建立數據模型，描述信息結構，使數據組織有序； （2）設計數據存儲方法，實現數據的三層獨立； （3）實現統一管理和有效控制，提供高效安全的訪問與共享。 第4頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫的任務

3、 多年來的GIS實踐表明，大部分現有DBMS無法直接管理空間數據，或管理的空間數據難以使用，空間數據庫主要研究存儲、管理和檢索空間數據的有效技術。 空間數據庫是數據庫概念、理論、技術的發展和創新，其任務是以數字形式表示各類空間的宏觀和微觀結構，建立空間數據模型并轉化為有效的的存儲結構，以最小空間和時間代價有效組織、存儲、管理和控制各類空間數據，維護數據的現勢性和正確狀態，提供一定的訪問機制，安全、高效、準確的實現數據的共享。Back第5頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五地理空間的概念 地理空間指物質、能量、信息的存在形式，在形態、結構、過程、功能關系上的分布方式和格局，

4、及其在時間上的延續。 地理空間是地球周圍的一個區域，是一個環形球狀空間，按層次劃分為巖石層、土壤圈、水圈、生物圈、大氣層和電離層。地球表層陸地和海洋表面附近的空間稱為地球表層空間。 有兩種認識與編碼地理空間并提取空間信息的觀點： 1、相對空間觀點：相對空間是具有屬性特征的空間實體的集合，由不同空間實體之間的空間關系構成（陳述彭 1999）。 2、絕對空間觀點 ：絕對空間是具有屬性描述的空間位置集合，它由一系列表示不同位置的坐標值組成（陳述彭 1999）。 Back第6頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五地理空間的定位框架 2、橢球面空間參照系統：將地球抽象為接近地球形狀的

5、旋轉橢球，以橢球面為地球表面幾何模型。任意點P的位置用（B,L）+大地高H表示。 3、平面參照系統：研究區域范圍不大時用平面作為地球表面的局部幾何模型，任意點P的位置用 (x,y) +海拔高h表示。 4、嵌套坐標系：如交通網絡中的線性參照系統。Back道路網絡Network定位基準點Datum線性定位方法LRM公交路線路徑移動對象Moving Object地理區域點Point地理坐標系線性參照系統 線Line面Polygon事件點Event 地球表層空間的定位參照基準是陸地表面和海洋表面，將地球表面簡化為不同的幾何模型，建立不同的空間參照系統，確定各自的定位方法。 主要定位方法 ： 1、地心3

6、維空間參照系統：以地心為原點，相互垂直的X，Y，Z為坐標軸的真3維空間直角坐標系統，任意點位表示成坐標矢量（X,Y,Z）。圖0-1 空間定位構架 第7頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五地理空間的模型 人類認識和解釋地理空間的歷史概括為三個階段： 第一階段：視覺模型：以空間幾何定位為基礎，依靠簡單量測的草繪紙質地圖來認識、解釋和分析自然環境。紙質地圖是地理空間實體分布形式與空間關系的視覺圖解表象，是認識自然與人文環境的重要工具和手段。 第二階段：符號模型 ：以數值方程為基礎，在空間參照系統中用數學方法表示空間實體的位置和關系，用平面符號化地圖對現實世界作全面地描述，精確數

7、值表示的紙質地圖成為地理空間的形象/符號/概括模型。 第三階段：空間數據模型 ：從信息科學角度來認識、解釋與分析客觀世界 ，空間數據模型是地理空間中空間實體集合的質量、數量、時間、空間特性的全面抽象和概括，是地理空間特征與結構的數字表現形式。 1、表達內容：用數據形式表示空間實體的關鍵特征。 2、存儲模型：將空間數據組織成數學空間中的2維、3維或多維動態空間 數據模型，由空間數據庫統一存儲、管理、操縱和控制。 3、展現形式：以數字、視覺或觸覺方式表現，以數學、數字、實物或其他形式存在，以可視化、符號化地圖模型展現。 Back第8頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據

8、的概念（空間現象） 現實世界中的事實、存在、事物、要素、實體、對象、環境、映像等統稱為現象。 地理空間中占據一定的空間范圍或位置，具有特定的幾何形狀，具有完整地理含義的各種自然地物、人工建筑物和構筑物、現象、區劃、分布、實體、環境等統稱為空間現象。 空間現象是具有時空特征的現象的統稱。拓撲關系（相鄰、關聯、包含、相離、重疊）空間特征幾何形狀和空間位置空間關系方位關系、度量關系、定位關系時態特征（動態變化）屬性特征標識、命名、數量和質量特征空間現象定性關系（分類、從屬、組成等）第9頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據的概念（空間現象分類） 1、空間現象集合 （1）連

9、續分布的空間表面或空間場：不同位置屬性取值是空間位置的連續函數，形態是一種分布表面或空間場，稱為地面模型。如：高程、溫度等是一種表面。 （2）空間的某種劃分：呈分片連續分布的空間現象集合，每個分片的屬性相同，分片之間邊界模糊（無固定形狀），如：土地覆蓋物、土壤。或分片間邊界清晰但邊界容易變化，通常進行整體分析，注重整體分布特征的空間現象集合，如：土地使用情況、地面覆蓋、土地權屬、氣象區域等。 （3）嵌入空間的網絡：交通網絡、輸電線路、各種地上和下管網等，這類現象是一種嵌入地理空間的網絡。 2、獨立空間現象 具有清晰邊界和固定形狀（規則或不規則形狀），空間上可區分，應用中作為單個對象進行研究的空

10、間現象稱為獨立空間現象。第10頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據的概念（空間要素） 空間要素是空間現象經過人類大腦的認知和抽象，并結合應用目標提取其本質特征后，在概念世界中的信息表示形式。空間現象抽象空間特征時態特征屬性特征空間屬性時態屬性主題屬性地理實體（一般概念）或實體對象（面向對象）概念世界現實世界 空間要素是唯一命名的、可以相互區分的、具有完整地理含義的抽象信息概念，它用“空間實體”這個抽象概念，以數字形式來組織和存儲“空間現象”的信息結構，以“符號地圖”對所表達的內容進行可視化展現。 空間現象-表達內容空間實體-數字形式空間要素地圖符號-展現形式第11

11、頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據的概念（空間數據） 描述空間要素的三類特征及其相互關系的一切有用知識稱為空間信息。空間信息通過某種方式離散化，轉換為計算機能夠存儲和處理的符號形式（數字、文字、圖形、圖像等）稱為空間數據。 空間數據是空間信息的載體或符號化表示，遙感等圖象數據，普通地圖和專題地圖等圖形數據，地理統計數據以及環境監測數據等均是空間數據的重要代表。 Back空間關系（拓撲數據結構+幾何方法）空間數據主題屬性（數字、字符、文字等）空間屬性幾何數據（坐標序列或坐標集合）空間行為特征（幾何方法）時態屬性第12頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29

12、分，星期五空間數據的特點 1、空間性：最主要的特征，包括幾何坐標和空間關系。 2、抽象性：根據應用需求對空間要素進行選擇、抽象和表達。不同應用有不同取舍、綜合、抽象與簡化。不同抽象具有不同語義和形狀。 3、多尺度與多態性：同一空間要素在不同觀測尺度下的形態差異和多個空間要素在空間上的部分共位現象 。 4、時序特征：表達動態變化和演變規律。 5、非結構化：表達空間要素形狀的坐標點數據是變長的。 6、空間結構復雜：指空間要素組成的復雜性及空間關系的復雜性。 7、地理分類編碼特征：按照某一種標準（國家、行業、地方標準）分類，具有地理分類編碼，同類空間要素具有相同的主題屬性結構。 8、可視性：以形象化

13、的圖形符號模型來展示。 9、空間計算：維護、管理、處理、查詢、分析和可視化需要空間計算。 10、多源性：多種來源的空間數據存在語義、內容、定位基準、比例尺、精度、存儲結構和格式等方面的差異。 11、海量數據特征：空間數據量巨大，有海量特征，需提高查詢效率。 13、長事務特征：對空間屬性的一次編輯操作是一個長事務。 14、分層與分塊：圖幅與圖層。Back第13頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據模型的復雜性 1、幾何特征的表達：表達形狀、復雜形狀的構成、多尺度與多態性、三維實體的二維表示、時空特征。 2、空間關系表達：存儲部分拓撲關系，表達度量與方位關系。 3、空間

14、行為的表達：與幾何數據相關的所有運算稱為空間計算，表達空間要素的行為特征，空間數據模型應表達行為特征。 4、多源與無縫問題：空間數據庫內部的數據無縫（物理縫隙）與不同GIS系統互操作時的數據無縫（邏輯縫隙）。前者指連續地理空間分離存儲到不同的存儲空間和存儲單元（分幅、分層）。后者指邏輯上的連續信息不能以邏輯連續方式呈現，不能獲取整體信息。數據采集、存儲、處理、多尺度和多源異構都可引起裂縫。 5、空間數據可視化：空間數據的可視性需以符號地圖展現。 6、空間屬性與主題屬性的集成 7、空間數據模型的多樣性 Back第14頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫實現的復雜性

15、 1、實現形式的多樣性：具體實現形式有文件結構、文件與關系數據庫混合結構、純關系數據庫結構、面向對象數據庫和對象關系數據庫等。多種實現形式并存，GIS應用目標多樣性、空間數據模型與空間數據庫實現形式多樣性增加了GIS系統復雜性。 2、實現技術的復雜性 （1）抽象數據類型(Abstract Data Type，ADT) 。 （2）對象關系模型：要使RDBMS支持ADT，就需要將關系模型與面向對象概念結合，形成混合型對象關系數據庫管理系統（OR-DBMS），集成ADT和其他面向對象設計原則的RDBMS稱為 OR-DBMS，它是空間數據庫管理系統的根基。 （3）擴展SQL ：具有內部指定ADT和調用

16、空間方法的能力。 （4）空間索引與查詢處理：空間索引結構及空間查詢算法是空間數據庫管理系統應該實現的基本功能。 3、應用目標的復雜性：應用的廣泛性欲不同的應用需求。 4、不斷的發展變化：理論、技術、應用處于不斷發展過程中。 Back第15頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫與地理信息系統1、空間數據庫 2、數據庫與空間數據庫3、空間數據庫與地理信息系統4、GIS與空間數據庫的發展過程Back第16頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫（內容）Back 1、地圖數據庫：包括線劃地圖數據庫、數字高程模型數據庫、數字柵格地圖數據庫、數字正

17、射影像數據庫和地名數據庫。 2、影像數據庫：包括基礎航空攝影數據庫和衛星遙感影像數據庫。 3、大地(測繪基準)數據庫 ： （1）國家平面控制網：按控制等級和施測精度分為1、2、3、4等網的1954北京坐標系和1980西安坐標系兩套成果。 （2）國家高程控制網：按控制等級和施測精度分為1、2、3、4等4級網，目前使用1985年國家高程基準。 （3）國家重力基本網：確定我國重力加速度數值的坐標體系。該成果應用在研究地球形狀、精確處理大地測量觀測數據、發展空間技術等方面。目前使用1985年國家重力基本網。 （4）國家高精度衛星定位基本網：它是利用衛星定位技術建立起來的新一代精確定位和導航的空間定位坐

18、標體系。目前使用的是國家高精度衛星定位控制網，包括A級、B級網和用于動態導航服務系統的地球定位系統(GPS)跟蹤站。 4、專題應用數據庫：為滿足國民經濟建設、生產、生活、科研、教學、商業等各行業部門和領域對專題性地理信息需求而建立的數據庫，提供專題影像數據、電子地圖等，具有專業空間分析功能。 第17頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五 空間數據庫是在數據庫的基礎上發展起來的，是對標準數據庫的擴充與創新。空間數據庫的基本原理、研究的基本內容、實現的基本功能和達到的總體目標與數據庫基本一致。空間數據庫管理系統圍繞著空間數據的表達、管理與控制問題，盡可能利用標準數據管理技術當前

19、取得的成果，繼承了數據庫管理系統的并發機制、安全機制，并針對空間數據這一特殊的數據集，在主流數據庫管理系統的基礎上進行內容和功能的擴充，在數據庫理論、實現技術、數據模型、數據訪問與控制等方面具有較大創新。 擴充和發展體現在以下幾個方面： 1、空間數據模型：一般數據模型不能表達地理空間復雜的信息結構，研究空間數據庫必須先研究空間數據模型及相關問題。 2、空間數據庫的實現技術：要實現基本的空間數據管理功能，至少要在標準的數據庫管理系統中定義新的空間數據類型，支持空間計算，建立空間索引，考慮空間數據訪問的安全和并發問題，實現海量數據的管理等功能。 3、地理空間認知、空間數據模型、空間數據訪問、海量數

20、據管理、長事務處理、空間數據可視化、空間數據庫管理和實現（空間索引、空間計算、空間數據結構）技術等很多內容還在不斷變化和發展，空間數據庫理論與技術是數據管理技術的發展與創新。 數據庫與空間數據庫Back第18頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫與地理信息系統（一） 1、空間數據庫是地理信息系統在計算機物理存儲介質上存儲的、與應用相關的地理空間數據的總和；空間數據庫管理系統是對空間數據進行統一管理的一組軟件，是地理信息系統應用軟件與空間數據庫之間的橋梁。系統設計人員、數據庫管理員和用戶分別在不同的層面上通過空間數據庫管理系統來操縱和處理空間數據。空間數據庫是地理信

21、息系統的基礎、支撐，也是GIS的關鍵組成部分，是GIS發揮作用的關鍵。空間數據庫設計的成敗，直接影響到地理信息系統開發與應用水平和成效。 2、地理信息系統是基于空間數據庫建立的完整的空間信息系統，是空間數據庫的前端，用于對空間數據庫中的數據進行各種處理、分析和展現。GIS是以空間數據庫為基礎，采用地理模型分析方法，實時提供多種空間和動態的地理信息，為地理研究和決策服務的計算機技術系統。第19頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五空間數據庫與地理信息系統（二）Back 一個GIS應用系統可劃分為空間數據管理和空間分析應用兩個層次，空間數據管理層通過空間數據庫管理系統來實現空間

22、數據的存儲、管理、控制和訪問，空間分析應用層通過GIS應用程序實現空間數據的專業分析和復雜對象的可視化顯示。第20頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五GIS與空間數據庫的發展（一）一、傳統GIS和空間數據庫 傳統GIS的發展經歷了近40年，從時間上劃分為三個階段： （一）起步階段（20世紀60年代到80年代）的主要特點： 1、技術架構：單機、集中式管理和處理。數據存儲、管理和應用集中一體，以系統為中心，單用戶環境。 2、數據模型：采用地圖數據模型，形成圖層、圖庫和拓撲關系等概念并沿用至今。空間數據采集主要是紙質地圖手工數字化。 3、數據管理：圖形和屬性均采用文件管理，自主

23、開發數據操縱語言，不能嵌入通用編程語言。系統功能和構造應用的能力受語言描述能力的限制。系統自封閉，數據交換差，空間數據不能共享。 4、應用領域：主要應用在與地圖相關的領域。 （二）迅速進步階段（80年代末到90年代初的5-7年）的要特點： 1、技術構架：出現了C/S結構多用戶的空間數據分布式處理系統，一定程度上實現了空間和屬性數據共享。 2、數據模型：仍然采用地圖數據模型。第21頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五GIS與空間數據庫的發展（二） 3、數據管理：采用關系數據庫管理屬性，用文件系統管理空間圖形數據。數據操縱能力顯著提高，屬性數據的完整性、一致性得到保證。具有基

24、本空間操作集和二次開發功能。可有效組織以屬性數據為基礎并涉及空間數據的處理事務，難以組織以空間數據為基礎的處理事務。 4、應用領域：GIS應用領域由資源領域向各領域深度和廣度擴展。 （三）成熟階段 90年代中后期約10年左右的時間為成熟階段，新的特點為： 1、技術構架：B/S與C/S結合的結構。將數據的管理、業務處理和展現分離，實現廣域網上的空間查詢和局域網上的空間數據維護。逐步從以系統為中心向以數據為中心過渡。 2、實現技術：面向對象的軟件構造工具，組件化結構，強大的二次開發功能，模糊了軟件平臺和應用系統的界限。可采用標準軟件開發語言和空間數據處理組件構造個性化的應用系統。 3、數據模型：實

25、現一定程度的矢量、圖像一體化存儲和疊加顯示，實現了矢、柵數據的相互轉化。 第22頁，共25頁，2022年，5月20日，12點29分，星期五GIS與空間數據庫的發展（三） 4、數據管理：在商用關系數據庫管理系統中定義新的數據類型，擴展SQL語句的謂詞和函數，使關系數據模型向關系對象模型擴展，初步實現空間數據和屬性數據的一體化存儲和管理，但描述、操縱和表現能力有限。 5、應用技術：實現地理信息系統GIS，遙感RS，全球定位系統GPS等3S的集成。 （三）成熟階段 90年代中后期約10年左右的時間為成熟階段，新的特點為： 1、技術構架：B/S與C/S結合的結構。將數據的管理、業務處理和展現分離，實現廣域網上的空間查詢和局域網上的空間數據維護。逐步從以系統為中心向以數據為中心過渡。 2、實現技術：面向對象的軟件構造工具，組件化結構，強大的二次開發功能，模糊了軟件平臺和應用系統的界限。可采用標準軟件開發語言和空間數據處理組件構造個性化的應用系統。 3、數據模型：實現一定程度的矢量、圖像一體