12次第1章 空间数据库简介.ppt

空间数据库 危双丰北京建筑工程学院测绘与城市空间信息学院 引言 1 gis的灵魂是什么 2 什么将是gis发展中永恒的主题 3 实现空间数据库的核心技术是什么 数据 data 空间数据引擎 sde 数据库和网络 教学目标 1 了解空间数据模型2 掌握空间数据库的设计方法3 学会使用空间查询语言4 掌握空间索引的基本原理和方法5 了解查询处理与优化的方法 6 掌握arcgis软件的使用和基于arcengine的gis二次开发 教材及参考书 教材 空间数据库 机械工业出版社 2004参考书 吴信才 空间数据库 科学出版社 2009崔铁军 地理空间数据库原理 科学出版社 2007 教材 教材电子版 参考资料 考核方式 作业10 二次开发实践40 考试50 章节安排 1 空间数据库简介2 空间概念和数据模型3 空间查询语言4 空间存储和索引5 空间查询与优化6 空间网络7 空间数据库应用和数据挖掘8 空间数据库的发展趋势 第1章空间数据库简介 1 1概述1 2空间数据库管理的适用人群1 3gis和sdbms1 4空间数据库的三类用户1 5一个sdbms的应用案例1 6空间数据库概览 1 1概述 数字化 信息化 第四媒体的时代传统数据库管理系统的局限据统计 80 的数据具有地理空间特征空间数据库 gis数据库 列出北京建筑工程学院方圆5公里以内的所有书店名称 列出拥有北京市超过万种图书的书店名称 空间数据的特征 空间特征 有空间坐标 隐含空间分布特征非结构化特征 变长的空间关系特征 拓扑关系分类编码特征 每一对象有一个分类编码海量数据特征 gb tb级或更大 1 2空间数据库管理的适用人群 移动电话用户军队作战指挥官保险公司风险经理气象学家运输 物流专家城市规划专家环境规划师流域 灌区信息系统管理员水资源管理工程师 1 3gis和sdbms 常用的gis分析操作列表 利用sdbms可以对更多的对象集和图层进行操作例如 列出伊朗所有的邻国 长江穿过哪些省市 gis回答这些集合查询迟缓 空间数据库管理系统sdbms sdbms可以建模空间概念模型 sdbms可以回答基于集合的查询 处理存储在二级设备 磁盘 光盘 光盘机 上的海量空间数据 多用户以及并发机制 1 4空间数据库的三类用户 主流数据库用户oracle informix ibminternet用户webgis wirelessgis个人数字助理lbsgps 1 5一个sdbms的应用案例 矢量图层 地块 交通 河流等 基本图像 人口普查 行政边界 人口普查区 名字 区域面积 人口数量 边界 createtablecensus block namestring areafloat populationnumber boundarypolyline 明尼苏达州ramsey县的tm数据 标识id为1050的人口普查区及其空间数据表 0 0 1 0 0 1 1 1 x y census blocks 1 2 3 4 a b c d 1050 数据类型string float number polyline 关系数据库的特点 在关系数据库中 所有的实体 对象或概念都表示为关系或表 实体的属性是原子的 具有固定的数据类型 关系数据库中属性的类型并不包括空间几何类型 多边形并不是内建的数据类型 解决方法 在关系数据库中创建有重复属性的表集合 如何在关系数据库中存储空间类型数据 census blocks人口普查区 数据类型string float number polyline 边界 多边形 在关系数据库中的表示 census blocks人口普查区 polygon多边形 point点 edge边 缺点 实现一个空间数据类型 需要多个表 实现过程过于复杂 空间对象无法自然地映射到关系数据库中 用户视图与数据库实现之间存在语义鸿沟 方法 面向对象数据库抽象数据类型 面向对象数据库 面向对象的编程面向对象的分析与设计面向对象的数据模型面向对象的数据库 特征 抽象 分类 继承 封装 用户自定义数据类型 oracle示例 createtypeland parcelasobject addressstring boundarypolyline createtypepolylineasobject coorlist point memberfunctionarea returnnumber 面向对象数据库系统oodbms的制约 尽管oodbms产品面世多年 被市场接受有限 sql成为通用语言 是与关系数据库联系在一起的 完全抛开关系数据库不现实 集成了adt和其他面向对象设计原则的关系数据库称为对象关系数据库or dbms 数据库的演化 文件系统 网状dbms 层状dbms 关系dbms 面向对象oodbms 对象关系dbms ordbms 抽象数据类型adt 为什么要用抽象数据类型 非空间属性1非空间属性2非空间属性3空间属性 字段 非空间属性 空间属性 nameareapopulationboundary createtablecensus block namestring areafloat populationnumber boundarypolyline 表模式 人口普查区的例子 元组 实体对象 记录 抽象数据类型 abstractdatatype简称adt 是指一个数学模型以及定义在此数学模型上的一组操作数据抽象用adt描述程序处理的实体时 强调的是其本质的特征 其所能完成的功能以及它和外部用户的接口 即外界使用它的方法 数据封装将实体的外部特性和其内部实现细节分离 并且对外部用户隐藏其内部实现细节 抽象数据类型的构成 adt抽象数据类型名 数据对象 数据对象的定义 数据关系 数据关系的定义 基本操作 基本操作的定义 adt的一个例子 adtcomplex 数据对象 d e1 e2 e1 e2 realset 数据关系 r1 e1是复数的实数部分 e2是复数的虚数部分 基本操作 initcomplex z v1 v2 操作结果 构造复数z 其实部和虚部分别被赋以参数v1和v2的值 destroycomplex z 操作结果 复数z被销毁 getreal z realpart 初始条件 复数已存在 操作结果 用realpart返回复数z的实部值 getimag z imagpart 初始条件 复数已存在 操作结果 用imagpart返回复数z的虚部值 add z1 z2 sum 初始条件 z1 z2是复数 操作结果 用sum返回两个复数z1 z2的和值 adtcomplex 例如 adt复数的描述 c classcomplex 类的声明protected doublerealpart doubleimagpart public complex complex doublerealval doubleimagval complex complexdoublegetreal void const returnrealpart doublegetimag void const returnimagpart friendcomplexadd complex z1 complex z2 类的实现部分 complex complex doublerealval doubleimagval realpart realval imagpart imagval voidcomplex assign complex oracle抽象数据类型 创建抽象数据类型的语法 必须用notfinal关键字指出是可以继承的类型 createtypetype nameasobject columns notfinal oracle抽象数据类型 例 创建抽象数据类型 地址类型addresstypecreateorreplacetypeaddresstypeasobject provincevarchar 20 cityvarchar 30 streetvarchar 40 使用自定义的抽象数据类型创建表createtablestudents stunamevarchar 10 stuaddressaddresstype 集成adt与dbms的条件 扩展sql以支持adtoodbms必须广泛使用 空间查询的例子 找出所有与my house相邻的地块 用sql表达 selectm addressfromland parcell mwhereadjacent l m andl address my house 空间查询的特点 支持空间操作 例如空间函数adjacent l m sql 3 sql 1999支持adt和更多的数据结构 例如表 集合 数组和包集成了adt和其他面向对象设计的关系数据库称为对象关系数据库管理系统 or dbms 空间数据库管理系统 sdbms 的定义 1 一个sdbms是一个软件模块 它利用低层数据库管理系统 ordbms oodbms 2 sdbms支持多种空间数据模型 相应的空间抽象数据类型 adt 以及一种能够调用这些adt的查询语言 3 sdbms支持空间索引 高效的空间操作算法以及用于查询优化的特定领域规则 图1 6sdbms的三层体系结构 空间数据刀片空间数据选项空间数据引擎 1 6空间数据库概览 空间分类和数据模型查询语言查询处理文件组织和索引查询优化 数据挖掘 1 6 1空间分类和数据模型 拓扑空间相邻网络空间最短路径方位空间东南西北 上下左右欧几里德几何距离 数据模型与数据结构 对象模型 实体模型或要素模型 场模型矢量数据结构栅格数据结构 1 6 2查询语言 关系查询语言 sql2 需要扩展 空间数据和操作 以支持空间查询 sql 3标准 支持adt和其他数据结构 ogc标准 ogis opengis 协会提出一套规范 把2d地理空间adt整合到sql中 1 6 3查询处理 单遍扫描查询 被查询的表中的一条记录最多只被访问一次 多遍扫描查询 连接查询 合并数据库中的两个表 空间连接与非空间连接 参议员 senator 公司 business namesoc secgenderdistrict polygon b nameownersoc seclocation point 公司名称老板名字老板身份证号公司地点 官员名字身份证号性别管辖区域 选区 查询 找出拥有b name公司的所有女性官员的名字selects namefromsenators businessbwheres soc sec b soc secands gender female andb name b name namesoc secgenderdistrict polygon b nameownersoc seclocation point 非空间连接 查询 找出其代表的选区面积大于300平方公里并在这个选区中拥有公司的所有议员selects namefromsenators businessbwheres district area 300ands soc sec b soc secandwithin b location s district namesoc secgenderdistrict polygon b nameownersoc seclocation point 空间连接 空间连接 两个表中空间类型字段的操作 包括空间比较 空间操作等 equal within cross contain等两个几何图形的查找和比较计算非常耗时 空间连接 spatial join 的查询处理 过滤 判断两个图形的空间关系 首先判断他们的最小外包矩形 mbr 理由是一个查询区域 例如矩形 与一个矩形之间的求交计算要比一个查询区域与一个任意多边形的不规则空间对象之间的求交计算容易 a b c d 过滤 b c d 查询处理 精选 对过滤的结果进行精确的几何条件处理 b c d b c 精选 空间连接查询 过滤阶段可以简化为确定全部矩形两两相交的问题两个矩形集合r r1 r2 r3 r4 和s s1 s2 s3 代表参与连接的两个表中空间属性的mbr r1 r2 r3 r4 s2 s1 s3 两个矩形的集合 x轴 y轴 一个矩形t可以用其左下角 t xl t yl 以及右上角 t xu t yu 来确定 两个矩形的集合 x轴 y轴 t t xl t yl t xr t yr 矩形t的左下角和右上角 按矩形左下角的x值t xl排序 构成rus r4s2s1r1s3r2r3 r1 r2 r3 r4 s2 s1 s3 过滤 判断外接矩形的交 两个矩形的集合 x轴 y轴 过滤结果 r1 r2 r3 r4 s2 s1 s3 过滤的目的 过滤为精选阶段提供候选对 尽可能多地淘汰不符合条件的对 从而减小精确几何计算的代价 1 6 4文件组织和索引 有限的主存 无限的硬盘空间访问硬盘的速度大约是内存的十万倍gis数据分析 程序员的观点 cpu 内存 sdb处理海量数据 dbms设计的观点 i o效率 内存 磁盘 按照索引检索数据可以提高访问数据的速度 z 排序索引 1234 5678 9101112 13141516 13911 241012 571315 681416 行排序 z排序 z曲线的搜素顺序 z值 02 13 4 b树 b树的定义b树是一种平衡的多分树 通常我们说m阶的b树 它必须满足如下条件 1 每个结点至多有m个子结点 2 除根结点和叶结点外