《空间数据库》PPT课件.ppt

空间数据库,Summarization of Spatial Database,空间数据库,课程名称：空间数据库 学时： 45 学习方法：理论讲授与上机实践相结合 考核： 平时30-40% 考查70-60% 联系Email： 授课教师： 张鹏林,名称：空间数据库 编著： 吴信才 出版：科学出版社,教材信息,地理空间数据库原理 崔铁军编著 科学出版社 空间数据库 (美)Shashi Shekhar等 机械工业出版社 SPATIAL DATABASES Philippe Rigaux 等 Morgan Kaufmann Publishers 其他有关地理信息系统和数据库的著作,参考资料,与其他课程的关系,课程大纲,数据库及空间数据库 空间实体的抽象与表达 空间数据模型 空间数据的组织与索引 空间数据查询与访问 商用空间数据库系统,Ch1 数据库及空间数据库,数据库系统回顾 空间数据库 新型数据库 空间数据库举例,1 数据库管理系统回顾,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型,什么是数据库?,存储在计算机环境中的相互关连的数据集 在这样的环境中，数据是永久的，也就是说它可以幸免于软件和硬件的问题（除非是磁盘崩溃）。 大数据卷和持久性是数据库最大的两个特点。,数据库的英文是DATA BASE，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理数据的基地。,Application programs/queries,Software to process queries,Software to access stored data,Stored database,Stored database definition metadata,一个简单的数据库系统环境,DBMS,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型,数据库系统的构成,数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合； 数据库管理系统是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作； 数据库系统指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统。,操作系统,数据库管理系统,应用软件、管理人员,硬件,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型 新型数据库系统,数据库系统的发展,层次数据库系统 网状数据库系统,层次数据模型 网状数据模型,关系数据库系统,关系数据模型,面向对象数据库系统,面向对象数据模型,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型 新型数据库系统,数据库中的数据模型,数据模型是客观事物及其联系的数据描述 主要的数据模型 层次 网状 关系 面向对象的数据模型 约束数据模型,数据模型实例,以地图M为例： 地图M中有两个面实体 多边形由a,b,e组成 M 多边形由b,c,d组成 1 a a边的两个端点是1，2 e 2 b边的两个端点是2，4 4 b c c边的两个端点是2，3 d d边的两个端点是3，4 3 e边的两个端点是1，4,层次模型例,网络模型例,关系模型例,面向对象的几何数据模型,Class M tuple (name: string, geometry: Region, polygons: set (Ploygon),Class Ploygon tuple (name:string, boundary: list(line),Class Line tuple (name: string, geometry: line, points: set (Point),Class Point tuple (x:real, y:real),约束空间数据模型,P1= V P2=,a, b, c, d, e分别可用直线公式表示,2 空间数据库,内 容,Spatial Data Why？ What？,空间数据,数据 是指客观事务的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述。 空间数据 是对现实世界中空间对象（事物）的描述，其实质是指以地球表面空间位置为参照，用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等诸多方面信息的数据。,空间数据特征,空间数据具有三大基本特征：空间、时间和专题属性。 空间特征 空间特征是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地物的空间关系。 时间特征 空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算得到的,空间数据特征（Cont.）,专题特征 专题特征亦指空间现象或空间目标的属性特征，它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，如地形的坡度、波向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。 此外，空间数据还具有多维、多尺度和海量等非空间数据所不具备的特征。,内 容,Spatial Data Why？ What？,Why?,传统形式 Paper map Journal Explanation 空间信息的新特点要求新的数字信息表达形式 数据量大（如，每天采集的卫星影像在Tbyte范围） 内在结构的复杂性特点,Why?,地理信息根据不同的应用和获取方式表现出多样性 主要数据集 GPS RS Aerial photographs 现存地图，综合已经存在的多种数字数据源而产生,Why？,与一般统计数据相比空间数据更复杂，表现在： 数据类型多（几何数据、关系数据、辅助数据） 数据操纵复杂 一般数据检索、增加、删除等 定位检索、拓扑关系检索等 数据输出多样（数据、报表、图形） 数据量大，空间数据种类多 测量、统计数据、文字 地图、影像等,空间数据的非结构化特征 事务数据库：数据记录一般是结构化的 每一个记录有相同的结构和固定的长度，记录中每个字段表达的只能是原子数据，内部无结构，不允许嵌套记录 空间数据：这种结构化不能满足要求 地理实体的空间坐标： 实体位置、大小形状 拓扑关系 空间数据的组织和管理不同于一般的事务性数据,内 容,Spatial Data Why？ What？,What？,空间数据库的定义 空间数据管理的发展过程 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容,什么是空间数据库 指以特定的信息结构（如国土、规划、环境、交通等）和数据模型（如关系模型、面向对象模型等）表达、存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。,空间数据库定义,地理空间数据与地理空间数据库,地理空间数据 指带有地理坐标的空间数据，包括资源、环境、经济和社会等领域的一切带有地理坐标的数据。 是空间数据的一种特殊类型； GIS中的地理空间数据是对地理实体的空间特征和属性特征的数字描述 注：本课程中我们不加区别的使用空间数据和地理空间数据,What？,空间数据库的定义 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容 空间数据管理的发展过程,空间数据库的内容,矢量地形图数据库 以矢量数据结构描述的水系、等高线、境界、交通、居民地等地形要素构成的数据库 数字高程模型库 是定义在平面X，Y上规则格网点上高程数据集构成的数据库 影像数据库 由各种航空航天遥感数据或经过扫描处理的影像数据构成的数字正射影像数据库,数字栅格地形图 纸质地形图扫描后经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理得到数字数字栅格地图 专题地图 土地利用数据 地籍数据 规划管理数据 道路数据 文物保护数据等,元数据 描述数据库/子库和库中个数字产品的元数据构成的数据库,空间数据库的内容（Cont.）,What？,空间数据库的定义 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容 空间数据管理的发展过程,空间数据库的研究内容,空间数据库的主要任务是研究地理空间物体的 空间数据表达模型 空间数据组织模型 空间数据存储结构 空间索引技术 目的: 以最小的代价高效地存储和处理空间数据; 维护空间数据的现实性,一致性和完整性; 为用户提供现实性好,准确性高,完备,开放和易用的地理空间数据 空间数据查询访问技术,What？,空间数据库的定义 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容 空间数据管理的发展过程,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统 约束数据库系统,人工管理阶段,20世纪50年代中期 数据不保存：计算机主要用于科技计算，不需要将数据长期保存，需要时输入数据； 没有数据管理软件 数据冗余：一组数据对应于一个程序；,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,20世纪60年代中期 把数据的存取抽象为一种模型，使用时给出文件名称、格式和存取方式等，其余的由文件管理系统完成,文件系统阶段,特点： 数据冗余较大 每个文件都是为特定的用途设计的 同样数据在多个文件中重复存储 程序和数据之间的独立性较差，应用程序依赖于文件的存储结构，修改文件存储结构就要修改程序。 对数据的表示和处理能力较差，文件的结构和操作比较单一，不够丰富。 数据不一致，更新时会造成同一数据在不同文件中的不一致。 数据联系弱，文件与文件之间是独立的，文件之间的联系必须通过程序来构造。,文件系统阶段(Cont.),空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统 约束数据库系统,20世纪70年代初期 1981年ESRI推出第一个商用地理信息产品。真正有效地将地理空间技术和数据库集成于一个系统,文件与数据库系统混合管理阶段,OID 图形数据 属性数据,图形数据,OID,属性数据,文件与数据库系统混合管理阶段(Cont.),用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据: 属性数据存储在常规的RDBMS中； 几何数据存储在空间数据文件系统中； 两个子系统间用标识符联系起来（即通过关键字联系）。,图幅内空间数据的组织,混合结构管理模式的特点,优点：由于一部分建立在标准的RDBMS上，存储和检索数据比较有效、可靠。 缺点： 由于使用了两个子系统，它们各自有自己的规则，查询操作难以优化，存储在RDBMS外的数据有时会丢失数据项的语义。 数据完整性的约束条件可能遭破坏，如在几何空间数据系统中目标实体仍存在，但在RDBMS中却已删除。,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,全关系型空间数据库管理系统,20世纪70年代后期 图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理,全关系型空间数据库管理系统(Cont.),采用同一DBMS存储空间数据和属性数据，即在标准的关系数据库上增加空间数据管理层; 利用该层将结构查询语言（GeoSQL）转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。,全关系型空间数据管理模式的特点,优点：省去了空间数据库和属性数据库间的繁琐连接，空间数据存取速度快。 缺点：由于是存取、效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查询过程复杂。,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,对象关系数据库管理系统,对关系数据库管理系统进行扩展，使之能管理非结构化的空间数据,GIS厂商开发的空间数据管理模块 ESRI : SDE MapInfo: Spatialware 关系数据库管理系统厂商直接开发的空间数据管理模块 Oracle Spatial Informix Ingres DB2,对象关系数据库管理系统（cont.）,特点,优点：在核心DBMS中进行数据类型的直接操作很方便、有效，并且用户还可以开发自己的空间存取算法。 缺点：用户须在DBMS环境中实施自己的数据类型，对有些应用相当困难。,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,面向对象的数据库系统,采用面向对象方法建立的数据库系统； 对问题领域进行自然的分割，以更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型。,面向对象的数据库系统,目前面向对象数据库管理系统还不够成熟，价格昂贵，在空间数据管理领域还不太适用； 基于对象关系的空间数据库管理系统可能成为空间数据管理的主流,3 新型数据库,内 容,分布式数据库 演绎数据库 多媒体数据库 工程数据库 空间数据库 时态数据库 实时数据库,分布式数据库,分布式数据库的概念 分布式数据库的结构 分布式数据库的特点,分布式数据库概念,概念： 逻辑上是一个统一的数据库系统 物理上分散在不同的场地（节点） 各场地通过计算机网络连接在一起 统一由一个分布式数据库管理系统( DDBMS )管理 特点： 分布性： 数据的分布性 事务的分布性 协调性：逻辑上整体、具整体完整性约束,网络,LDB,LDBMS,GDBMS,CM,全局数据字典,LDB,CM,GDBMS,LDBMS,全局数据字典,LDB,CM,GDBMS,LDBMS,全局数据字典,分布式数据库结构,分布式数据库特点,地方自治性 在集中式数据库中非常强调对全局的集中控制，而在分布式数据库中不强调全局的集中控制，而强调各结点的地方自治。这给每一结点相当的独立性。 相互协作性 地方自治是分布式数据库的一个方面特色，光有这一方面是远远不够的，更重要的是当某结点的事务需要存取其他结点的数据时，更需要各结点间相互协作，相互配合。这种协作是平等关系的协作。,分布式数据库特点（Cont.）,位置透明性 位置透明性意味着用户使用数据时，无须了解所存取的数据所在位置。 这一位置信息是由系统通过全局目录而获得，并由系统决定是在本结点自治处理，还是通过网络存取他结点的数据。 这种透明性简化了应用程序，大大方便了用户。它是分布式数据库的主要目标之一。,分布式数据库特点(Cont.),副本的透明性 在集中式数据库中减少冗余是它的主要目标之一，但在分布式数据库中出于性能和效率方面的考虑，有时需要在不同结点存放同一数据库的几个副本。 这主要考虑到下述两个因素和背景 一是应用的局部性，在分布环境下，为了减少网上的传输，提高效率，确定了一个处理原则，即能在本地区处理的事务不申请网上的传输。因而重复存放副本就是自然的策略； 二是系统的可行性，在分布环境下，一个结点出现了故障，不影响整个系统的运行。需要在某地区获得的数据，可在其他结点获得。,演绎数据库,演绎数据库的基本概念 演绎数据库的内容和特点 演绎数据库的研究现状 演绎数据库、知识库与智能数据库,演绎数据库的基本概念,根据已知的事实和规则进行推理，回答用户提出的各种问题。演绎数据库也被称为逻辑数据库、演绎关系数据库或虚关系数据库; 具有很强的推理能力，这种推理能力起源于人工智能的研究; 根据已知的数据和这些逻辑关系可推出另一些在数据库中并不存在而客观又是正确的数据.,演绎数据库的内容和特点,实数据（事实）； 规则； 虚数据 虚数据系根据已知的实数据经使用规则推理而得到的，它不必存放在数据库中 演绎数据库可获得远远多于传统数据库中的数据，但其占有的实际物理空间与传统数据库差不多 易维护、易扩充、冗余度小和数据录入量少,演绎数据库的研究现状,对演绎数据库的研究始于20世纪70年代后期，对它的研究主要分两个方面： 数学模型 在演绎数据库中往往用证明论作为其实现的数学模型。在证明论中，演绎数据库可视为一个一阶谓词演算的公理系统。一个公理系统包括；公理；一阶谓词演算公式；定理；有公理通过证明而获得的一阶谓词演算公式；证明；有公理经推理而得到定理的证明工程 实现方法 ，目前演绎数据库的实现方法有两种 ： PROLOG语言实现 现有的DBMS+RULE来实现,演绎数据库、知识库与智能数据库,共同之处 三者都是人工智能与数据库的结合 ，都是以数据库为基础，吸取了人工智能的成功技术的成果 不同之处 演绎数据库与智能数据库均属于数据库范围，它们均以数据库为基础，吸取了人工智能的技术。它们管理的是数据，而知识库管理知识 演绎数据库虽然也含有规则，但它含有的规则较少，而含有的数据却是大量的，这是与知识数据库不同的 。 智能数据库不仅应用人工智能中的逻辑推理思想，而且还应用人工智能中自然语言理解、语言识别，图象、文字处理等多种方法与技术于数据库，以求得更多的功能、性能的改善与提高。,多媒体数据库,多媒体数据库与传统数据库的差别 多媒体DBMS的体系结构,多媒体数据库与传统数据库的差别,用于存储多媒体信息的数据库 数据库应用从传统的企业信息管理扩展到计算机辅助设计、办公信息系统、人工智能等多种应用领域。这些领域涉及到大量的多媒体信息。 现有DBMS无论从模型的语义描述能力、系统功能、数据操作，还是存储管理、存储方法上都不能适应这些复杂对象的处理要求。综合程序设计语言、人工智能和数据库领域的研究成果，设计支持多媒体数据管理的DBMS已成为数据库领域中一个新的重要研究方向。,多媒体DBMS的体系结构,多个DBMS的协调体系,传统DBMS多媒体信息处理,多媒体DBMS的体系结构,存储核心层+应用层多媒体DBMS体系,多媒体DBMS体系,由德国凯撒劳滕大学的HAERDER和斯图加特大学的REUTER提出,工程数据库,工程数据库的概念 工程数据库的应用环境 工程数据库的特色,工程数据库的概念,是指在工程设计中，主要是CAD/CAM中所用到的数据库； 由于在工程中的环境、要求不同，工程数据库与传统的信息管理中用到的数据库有着很大的区别。,工程数据库的应用环境,工程数据库的内容 设计模型 、图纸上的各种数据、材料、工差、精度、版本等各种信息需要保存、管理和检索 。 应用环境,工程数据库的特色,设计者是一个临时用户； 主要数据库是图形和图象数据； 数据库规模庞大； 设计处理的状态是直观的和暂时的； 设计的多次版本信息都要予以保存； 事务是长期的，从设计到生产周期较长； 数据要求有序性； 数据项可多达几百项。,空间数据库,以空间数据为处理对象的计算机应用为空间数据应用 ； 能对空间对象的表示、空间数据的存取、空间对象查询和查询优化的数据库为空间数据库； 空间数据应用的范围： 计算机辅助机械设计和几何应用 （早期） 机器人、计算机视觉、图象识别、地理信息处理等领域 （扩展） 空间数据具有三个特点: 需要处理的数据量大； 需要空间和非空间两类数据； 需要记录空间对象随时间而演变的历史数据,时态数据库,时态数据库基本概念 时态数据库数据模型,时态数据库基本概念,在实际应用中，数据往往随时间而变化。我们称随时间而变化的数据为时态数据。很多数据库应用都涉及到的时态数据。这些应用不仅需要存取数据库的当前状态，也需要存取数据库随时间变化的情况 管理时态数据的数据库系统需要对时间语义提供三方面的支持：时间点、时间间隔、与时间有关的关系 传统数据库管理系统在时态数据的表示上有两种局限性： 不保存数据库改变的历史，每一个数据更新操作都删除了更新前的事实 ； 数据一进入数据库就立即生效。在很多应用中，数据的录入时间（即数据进入数据库的时间）和数据可以被利用的时间是不同的。,时态数据库数据模型,为了克服传统数据