第四章空間數據庫

數據管理模式數據庫模型空間數據庫空間數據庫管理模式空間索引4.1.1數據管理的三個階段：

人工管理階段

文件管理階段

數據庫管理階段4.1數據管理模式地理信息系統空間數據庫Fori=1,nforj=1,m

………………nextjNextiIf……………..…………….End564,735,689,34,23,455,……

人工管理階段地理信息系統空間數據庫文件管理階段數據文件1數據文件2數據文件n……...應用程序1應用程序2………..應用程序m輸出1輸出2…….輸出m地理信息系統空間數據庫文件管理階段缺點：（1）每個應用程序都必須直接訪問所使用的數據文件，應用文件完全依賴于數據文件的存儲結構，數據文件修改時應用文件也隨之修改。（2）數據文件的共享。由于若干用戶或應用程序共享一個數據文件，要修改數據文件必須征得所有用戶的認可。地理信息系統空間數據庫數據庫管理系統數據文件1數據文件2數據文件n……...應用程序1應用程序2………..應用程序m輸出1輸出2…….輸出m數據庫管理系統DBMS數據文件1數據文件2數據文件n……...應用程序1應用程序2………..應用程序m輸出1輸出2…….輸出m數據庫管理系統DBMS地理信息系統空間數據庫數據庫管理系統優點：（1）數據集中控制（2）數據可充分共享（3）數據的獨立性（4）以擴充新的數據庫應用（5）用戶直接訪問數據庫（6）冗余信息得到有效控制（7）多種用戶的觀點地理信息系統空間數據庫數據庫管理系統缺點：（1）建立數據庫的費用較高，數據庫系統軟件和與之聯系的任何硬件都可能是昂貴的。（2）添加內容時變得復雜，數據庫系統比文件管理系統更加復雜。（3）風險集中化。數據集中存儲，雖然減少了數據冗余，但集中存儲也同樣是數據損壞或丟失的風險增加。4.1數據管理模式4.1.2數據庫管理系統和數據庫系統1、數據庫管理系統（DBMS）數據庫管理系統是位于用戶與操作系統之間的一層數據管理軟件，它提供了數據庫的訪問接口，以方便、有效地提供存取數據庫信息的環境。應用系統應用開發工具DBMS操作系統數據庫最終用戶應用程序員數據庫管理員4.1數據管理模式2.數據庫系統數據庫系統是指在計算機系統中引入數據庫后的系統。包括數據庫、操作系統、數據庫管理系統（及其開發工具）、應用系統、數據庫管理員和用戶構成。4.2數據庫模型4.2.1數據庫模型

數據庫模型是嚴格定義的一組概念的集合，主要由數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成。

數據庫概念模型

數據庫邏輯模型

數據庫物理模型數據庫概念模型（1）面向記錄的傳統數據庫數據模型

層次模型、網狀模型、關系模型（2）面向語義的語義數據模型

實體-聯系模型（E-R)（3）面向對象的對象數據模型方法數據庫概念模型常用術語實體：客觀存在并可相互區別的事物。實體集：同型實體的集合。屬性：實體所具有的很多特征中的每一個特征。標識符：惟一標識實體的屬性或屬性集的標識符。實體間的聯系：實體內部的聯系實體集之間的聯系：1:1；1：N；M:N數據庫邏輯模型

數據庫的邏輯模型是由DBMS支持的數據模型，并面向數據庫的邏輯結構，有嚴格的形式化定義，以便于在計算機中實現。它通過嚴格的語法和語義定義，來描述數據結構特性，滿足數據庫存取、運行等用戶需求。數據庫邏輯模型1、術語數據項、記錄、文件、關鍵碼2、要素數據結構：實體類型及關系的表達和實現數據操作：對數據的檢索和更新約束條件：對數據及其聯系的制約和依賴規則地理信息系統空間數據庫數據項數據項：是可以定義數據的最小單位，也叫元素、基本項、字段等。姓名學號籍貫性別出生年月……數據項（字段）（字段名、類型、長度）地理信息系統空間數據庫記錄：由若干相關聯的數據項組成。記錄姓名學號籍貫性別出生年月…張英18北京女66.02…李林20陜西男67.10…一條記錄地理信息系統空間數據庫文件文件：文件是一給定類型的(邏輯)記錄的全部具體值的集合。姓名學號籍貫性別出生年月…張英18北京女66.02…李林20陜西男67.10…………………基本信息地理信息系統空間數據庫數據庫：是比文件更大的數據組織。數據庫是具有特定聯系的數據的集合，也可以看成是具有特定聯系的多種類型的記錄的集合。數據庫的內部構造是文件的集合，這些文件之間存在某種聯系，不能孤立存在。數據庫

基本信息課程成績教師信息數據庫物理模型

從滿足用戶需求的已定邏輯模型出發，在有限的硬軟件環境下，用DBMS手段設計的數據庫內模式，包括設計數據庫的存儲形式、存取路徑、文件結構等。地理信息系統空間數據庫4.2數據庫模型4.2.2傳統數據庫系統（非空間）的數據模型

層次模型

網狀模型

關系模型

面向對象的數據庫模型層次數據庫模型

它的特點是將數據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部分。層次數據庫結構特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構等分級數據的組織。地理信息系統空間數據庫長安大學人文學院汽車學院機械學院資源學院地測學院管理學院建筑學院外語學院建工學院公路學院材料學院環工學院理學院信息學院地質工程系地球探測與信息工程系測繪科學與工程系安全工程系層次數據庫模型地理信息系統空間數據庫層次數據庫模型優點：存取方便且速度快結構清晰，容易理解數據修改和數據庫擴展容易實現檢索關鍵屬性十分方便缺點：結構呆板，缺乏靈活性同一屬性數據要存儲多次，數據冗余大（如公共邊）不適合于拓撲空間數據的組織地理信息系統空間數據庫網絡數據庫模型

網絡模型用連接指令或指針來確定數據間的顯式連接關系，是具有多對多類型的數據組織方式。地理信息系統空間數據庫MIIIabcdefg123456學生宿舍專業系學生教研室教師父母子女養育贍養網狀數據庫模型地理信息系統空間數據庫優點：能明確而方便地表示數據間的復雜關系數據冗余小缺點：網狀結構的復雜，增加了用戶查詢和定位的困難。需要存儲數據間聯系的指針，使得數據量增大數據的修改不方便（指針必須修改）地理信息系統空間數據庫4.3.2網絡數據庫模型關系數據庫模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6關系數據庫模型是以記錄組或數據表的形式組織數據，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，是建立空間數據和屬性數據之間關系的一種非常有效的數據組織方法。地理信息系統空間數據庫學校名稱長安大學系名教師數學生數研究生計算機5230070系名教師數學生數研究生地工系5230070系名教師數學生數研究生測繪系5230070教師號姓名年齡職稱66謝元禮30教授教師號姓名年齡職稱66謝元禮30教授教師號姓名年齡職稱66謝元禮30教授課程號課程名教師號學分A01GIS42課程號課程名教師號學分A01GIS42課程號課程名教師號學分A01GIS42學號姓名年級籍貫002312張三3陜西學號姓名年級籍貫002312張三3陜西學號姓名年級籍貫00231張三3陜西學號課程號002312A01學號課程號002312A01學號課程號00231A01地理信息系統空間數據庫優點：結構特別靈活，滿足所有布爾邏輯運算和數學運算規則形成的查詢要求能搜索、組合和比較不同類型的數據增加和刪除數據非常方便缺陷：數據庫大時，查找滿足特定關系的數據費時對空間關系無法滿足關系數據庫模型地理信息系統空間數據庫

面向對象數據庫系統

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—，引入對象、對象類、方法、實例等概念和術語，采用動態聯編和單繼承性機制。它以OOPL為核心，集各種軟件開發工具為一體，建立OO計算環境，配有很強的圖形功能和多窗口用戶界面。

基本出發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。地理信息系統空間數據庫對象：是對客觀世界實體的抽象描述，由信息（數據）和對數據的操作組合而成。所有的概念實體都可以模型化為實體。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。

基本概念

地理信息系統空間數據庫基本概念協議：是一個對象對外服務的說明，它告知一個對象可以為外界。封裝：是將某件實物包圍起來，使外界不必知道其實際內容。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，就出現了類的層次結構，也就有了超類（基類）、子類（派生類）的概念。地理信息系統空間數據庫4.3.1、空間數據庫定義

簡單地說，空間數據庫是存放空間數據的數據庫。確切地說：空間數據庫是描述空間物體的位置數據、位置數據元素之間拓撲關系及描述這些物體的屬性數據的數據庫。地理信息系統空間數據庫4.3空間數據庫管理系統4.4.2、GIS數據庫作用

對海量數據的管理能力；空間分析功能；設計方式靈活，滿足用戶要求支持網絡功能地理信息系統空間數據庫4.4空間數據庫管理系統4.3空間數據庫管理系統4.3.2空間數據的特征

空間特征抽象特征多尺度與多態性特征非結構化特征空間關系特征分類編碼特征海量數據特征地理信息系統空間數據庫描述空間物體的位置、形態，甚至需要描述物體的空間拓撲關系同一自然地物在不同的抽象中，可能有不同的語義。不同觀察尺度具有不同的比例尺和精度，同一地物在不同情況下會有形態差異。記錄不能等長空間數據除了空間坐標及隱含的空間分布關系外，空間數據還記錄了拓撲數據結構表達的多種空間關系。每一個空間對象都有一個分類編碼，因而每種地物對應于一個屬性數據表文件。4.3.3空間數據與一般數據相比所具有的特點：

4.3空間數據庫管理系統

數據量大；不僅擁有地理要素的屬性數據，且還擁有大量的空間數據，且這兩種數據具有不可分割的聯系；數據應用面廣地理信息系統空間數據庫4.3.4傳統數據庫系統管理地理空間數據的局限性1、傳統數據庫系統管理的是不連續的、相關性較小的數字和字符，而地理信息數據是連續的，并且具有很強的空間相關性。2、傳統的數據庫管理的實體類型較少，并且實體類型之間通常只有簡單的、固定的空間關系，而地理空間數據的實體類型繁多，實體類型之間存在著復雜的空間關系，并且還能產生新的關系。3、傳統數據庫存儲的數據通常為等長記錄的數據，而地理空間數據通常用于不同目標的坐標串長度的不定，具有變長記錄，且數據項可能很大、很復雜。4、傳統數據庫系統只操縱和查詢文字和數字信息，而空間數據庫中需要大量的空間數據操作和查詢，如鄰域、連通、包含和疊加等。地理信息系統空間數據庫4.4.6、GIS數據庫的發展（1）數據庫的計算平臺的發展

集中式系統階段

經典客戶/服務器系統階段

分布式計算系統階段（2)空間數據模型的發展柵格模型、矢量模型、對象模型、約束模型地理信息系統空間數據庫4.3空間數據庫管理系統集成式階段主機終端終端終端數據庫集中在大型的基于主機的管理模式、具有各自獨特的數據結構、文件格式，只能以重復備份或脫機拷貝的方式在不能得系統之間交換數據。地理信息系統空間數據庫地理信息系統空間數據庫經典客戶/服務器系統階段服務器客戶端客戶端客戶端以統一、完整的GIS數據庫系統存儲和管理海量地理空間數據為主體，這種數據庫可以在整個局域網范圍內共享。地理信息系統空間數據庫分布式計算系統階段服務器服務器服務器客戶端客戶端客戶端多種不同類型的地理數據分布在成千上萬的通信子網站點上，形成多嵌套、無限延伸和異常復雜的地理信息空間。4.3.4空間數據庫管理模式

文件關系數據庫混合管理

全關系數據庫管理

擴展關系數據庫管理

面向對象數據庫系統地理信息系統空間數據庫4.3空間數據庫管理系統4.4.7目前GIS數據庫存在的問題

數據共享問題

數據瓶頸問題數據更新問題數據安全問題

數據格式文件統一性地理信息的標準化數據共享的政策地理信息系統空間數據庫4.4空間數據庫管理系統文件-關系數據庫混合管理幾何數據屬性數據ID數據文件數據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據庫GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數據庫高級語言ODBC協議GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數據庫高級語言數據庫開發語言數據庫開發數據庫開發地理信息系統空間數據庫屬性數據建立在RDBMS上，數據存儲和檢索比較可靠、有效；幾何數據采用圖形文件管理，功能較弱，特別是在數據的安全性、一致性、完整性、并發控制方面，比商用數據庫要遜色得多。空間數據分開存儲，數據的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。文件-關系數據庫混合管理地理信息系統空間數據庫全關系數據庫管理空間數據庫GIS界面屬性數據（定長記錄）空間數據（變長記錄）DBMS關系表二進制塊地理信息系統空間數據庫全關系數據庫管理屬性數據、幾何數據同時采用關系型數據庫進行管理空間數據和屬性數據不必進行煩瑣的連接，數據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等地理信息系統空間數據庫擴展關系數據庫管理GIS界面空間數據處理RDBMS空間數據庫擴充實體類型（點、線、面、圓等）地理信息系統空間數據庫擴展關系數據庫管理在標準的關系數據庫上增加空間數據管理層，即利用該層將地理結構查詢語言(GeoSQL)轉化成標準的SQL查詢，借助索引數據的輔助關系實施空間索引操作。解決了空間數據變長記錄的存儲問題，由數據庫軟件商開發，效率較高用戶不能根據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GIS軟件：TIGER，Geo++、GeoTropics等地理信息系統空間數據庫面向對象的數據庫管理系統面向對象模型最適應于空間數據的管理，它不僅支持變長記錄，而且支持對象的嵌套、信息的繼承與聚集。面向對象的GIS數據庫管理系統允許用戶定義對象和對象的數據結構及它的操作。地理信息系統空間數據庫面向對象的幾何抽象類型

GIS中的各種地物，在幾何性質方面不外乎表現為四種類型，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。地理信息系統空間數據庫面向對象的幾何抽象類型

地理信息系統空間數據庫面向對象的屬性數據模型

GIS中的地物可根據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、后勤服務建筑、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。地理信息系統空間數據庫4.5空間數據的組織空間數據的組織方式與所采用的數據模型有關。4.5.1分塊組織——分區管理分區原因：

磁盤容量查詢分析效率數據庫維護地理信息系統空間數據庫4.5空間數據的組織圖塊劃分原則：

按存取效率較高的空間分布單元劃分圖塊，以提高數據庫的存取效率。圖塊的劃分應使基本存儲單元具有較高較為合理的數據量。在定義圖塊分區時，應充分考慮未來地圖更新的圖形屬性信息及空間分布，以利于更新和維護。地理信息系統空間數據庫4.5空間數據的組織4.5.2分層組織

將不同類不同級別的圖元要素進行分層存放，每一層存放一種專題或一類信息。每一圖層應具有的特性：可見性繪圖特征疊加性地理信息系統空間數據庫4.5空間數據的組織

當需要在整個區域范圍內對空間數據進行操作時，必須建立邏輯上或物理上無縫的數據庫。在平面方向上，分幅的數據要組織成無縫的一個整體，在垂直方向，各種數據通過一致的空間坐標定位能夠相互疊加和套合。空間數據庫系統要有高效的空間數據查詢、調度、漫游以及數據分發與制圖等功能。

地理信息系統空間數據庫1、工作區通常將一幅圖或幾幅圖的范圍當作一個工作單元或稱工作區。在這個工作區范圍內，包含了所有各層的空間數據。工作區通常是以范圍定義的。一般情況下，一幅圖定義為一個工作區，也可將幾幅圖合為一個工作區。工作區行政邊界道路……水系土壤土地覆蓋居民4.5.3圖幅內空間數據組織4.5空間數據的組織地理信息系統空間數據庫2、工作層工作層被定義為空間數據處理的一個工作單元，它在平面上可能與工作區范圍一致，但是在垂直方向，不同的軟件定義有所區別。3、邏輯層如果一個工作層包含的內容很多，如所有地物類，這是為了顯示、制圖和查詢方便，需要定義邏輯層。4、地物類將類型相同的地物組合在一起，形成地物類。

4.5空間數據的組織邏輯層與地物類的關系地理信息系統空間數據庫4.5.4圖庫管理圖庫管理即為工程管理。從物理上說，每個工作區或工作層形成一個獨立的工作單元，這樣在數據采集和處理時非常必要的。但是在邏輯上，一個地區，或一個城市應該形成一個整體，即當作一個工程看待，用戶可以在工程內任意開窗、放大、漫游、查詢、分析和制圖。這樣涉及多個工作區的數據組織，也稱海量數據管理。工程管理一般是建立圖幅索引，即通過工作區的范圍建立二維空間索引。工程管理除了進行工作區索引以外，還要進行并發控制管理。4.5空間數據的組織地理信息系統空間數據庫4.5.5屬性數據的組織

屬性數據雖然一般均由關系數據庫管理，但是它的組織方式也依GIS軟件而異。如ARC/INFO，它的屬性數據文件一般建立在對應的Coverage目錄之下，在工作區目錄下，通常有一個記錄屬性數據文件信息包括目錄路徑的文件。特別是，無論一個Coverage包含多少地物類，僅有一個ATT表和一個PAT表。為了表達不同地物類的不同屬性項，也可能按每個地物類建立一個擴展屬性表，他們與AAT或PAT表的連接，根據地物編碼和內部連接碼進行。

4.5空間數據的組織地理信息系統空間數據庫4.5.5屬性數據的組織MGE的屬性數據管理方式，一個地物類對應于一個屬性表文件，而且所有屬性文件都在工程的目錄下，即是說不同工作區相同的地物類型的屬性是放在一起的，這樣便于屬性的工程管理，在工程中查找某一屬性要快速得多。

GeoStar的屬性管理模式，它結合前兩者的優點。在GeoStar中，可以設計成一個地物類為一個屬性表，也可以是多個地物類公用一個屬性表，這樣會帶來許多方便。4.5空間數據的組織地理信息系統空間數據庫工程工作區1工作區2工作區3空間地物專題1專題2專題3專題地物結點、點狀地物線狀地物面狀地物類1類2……類3類5類6……類4類5類7……類1類2類3類4類5類6弧段類7類8位置XYZ柵格注記地理信息系統空間數據庫4.6空間索引4.6.1概念

空間索引就是指依據空間對象的位置和形狀或空間對象的某種空間關系按一定的順序排列的一種數據結構。其中包含空間對象的概要信息，如對象的標識，外接矩形及指向空間對象實體的指針。地理信息系統空間數據庫4.6空間索引4.6.2目的

作為一種輔助性的空間數據結構，空間索引介于空間操作算法和空間對象之間，它通過篩選作用，排除大量與特定空間操作無關的空間對象，從而提高空間操作的速度和效率。地理信息系統空間數據庫1、對象范圍索引在記錄每個空間對象的坐標時，記錄每個空間對象最大最小坐標。這樣在檢索空間對象時，根據空間對象的最大最小范圍，預先排除那些沒有落入檢索窗口內的空間對象，僅對那些最大最小范圍落在檢索窗口的空間對象進行進一步的判斷，最后檢索出那些真正落入窗口的空間對象。4.6空間索引4.6.3方法地理信息系統空間數據庫4.6空間索引4.6.3方法地理信息系統空間數據庫4.6空間索引2、格網索引

將工作區按一定的規則劃分成格網，然后記錄每個格網內所包含的空間對象。為了便于建立空間索引的線性表，將空間格網按Morton碼或稱Peano鍵進行編碼，建立Peano鍵與空間對象的關系。地理信息系統空間數據庫4.6空間索引2、格網索引

地理信息系統空間數據庫3、四叉樹索引有兩種索引：線性四叉樹和層次四叉樹。4.6空間索引地理信息系統空間數據庫線性四叉樹索引地理信息系統空間數據庫

層次