第5章 地理信息系统空间数据库.pptVIP

第五章GIS空间数据库 第一节空间数据库概述第二节空间数据库概念模型设计第三节空间数据库逻辑模型设计第四节空间数据库的物理设计第五节空间数据库查询第六节空间数据库索引第七节空间元数据第八节空间数据库引擎第九节空间时态数据库 1空间数据库概述1 1数据管理技术发展阶段经历三个阶段 人工管理 20世纪50年代中期以前 1946 第一台电脑ENIAC ElectronicNumericalIntegratorandCalculator 在美国宾夕法尼亚大学诞生 计算机主要用于科学计算 没有数据管理功能 数据与程序是一个整体 数据只为本程序所使用 不能共享 文件管理 20世纪50年代后期至60年代中期 计算机用于科学计算 也用于数据管理 数据以文件形式长期保存在磁盘上 但文件之间相互独立 缺乏联系 数据重复产生冗余 文件建立 存取 查询 插人 删除 修改等操作都要用程序实现 数据库管理 60年代后期以来 程序和数据的联系通过数据库管理系统实现 数据不再面向特定的某个或多个应用 而是面向整个应用系统 数据冗余减少 实现了数据共享 用户可以使用查询语言或终端命令操作数据库 数据库是数据库系统的简称 一个完整的数据库系统应当包括三个组成部分 1 数据库存储系统 按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合 2 数据库管理系统 提供数据库建立 使用和管理工具的软件系统 3 数据库应用系统 根据用户需求建立的具有数据库访问功能的应用软件 空间数据管理方法发展 1 2空间数据库的概念 空间数据库系统也由三个部分组成 1 空间数据库存储系统空间数据库存储系统是GIS在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和 一般以一系列特定结构的文件形式存储在硬盘 光盘等介质上 在GIS中 空间数据库是核心 2 空间数据库管理系统指能够对介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义 提供空间数据查询 检索 存取 维护和更新功能的软件系统 3 空间数据库应用系统 指由GIS的空间分析模型和应用模型所组成的软件 可以管理空间数据 运用空间数据进行分析和决策 1 3空间数据库的设计空间数据库的设计就是将地理空间实体以一定组织形式在数据库系统中加以表达的过程 空间数据模型是对空间实体进行描述和表达的手段 空间数据库设计最终归结为空间数据模型设计 空间数据设计的过程和步骤GIS空间数据库的设计经历过程 现实世界 信息世界 计算机世界 空间数据库设计步骤 1 需求分析 系统分析特定的专业应用需求 2 概念设计 把用户的需求加以解释 并用概念模型表达出来 概念模型是对现实世界的抽象 主要描述数据及其之间的语义关系 如实体 联系模型 面向对象数据模型 3 逻辑设计 把概念模型利用数据库管理系统提供的工具映射为计算机中数据库管理系统所支持的数据模型 如实体 联系模型转换成关系数据库模型 4 物理设计 数据库的逻辑模型在实际物理存储设备上加以实现 建立物理数据库 数据库的系统结构 2空间数据库概念模型设计概念模型要反映GIS需求 对现象世界认识与抽象 包括 特征描述 关系分析 过程模拟等 用概念化模型表达 概念模型必须具备丰富的语义表达能力 易于设计人员交流和理解 修改 向各种模型转换等特点 常用概念模型 1 传统数据模型 层次模型 网状模型 关系模型 2 语义数据模型 3 面向对象数据模型 传统数据模型的缺点 商用数据库大多数仍采用传统的数据模型 尤其是关系数据模型 但实际应用中存在不足 表现在以下几方面 1 以记录作为数据模型的基本结构 不能很好地面向对象 2 不能以自然方式表示客体之间的联系客体联系被掩盖在记录 属性之中 主干道和支道相联 3 数据语义贫乏数据语义是指数据本身具有的表达数据属性及其关系的能力 各属性之间关系 从属关系 性质 成分 通过文字来叙述 城市人口 男性 女性 关系 城市人口 男性 女性 4 数据类型少 难以满足用户需要整数 实数 字符型和日期型等 缺拓扑数据 2 2语义数据模型 语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成 用这些抽象来描述空间实体的基本语义特征 再根据语义模型结构规则把这些抽象结合起来形成模型 模型形成空间实体类别以及这些类别之间的关联 最常用语义模型是实体 联系模型 Entity Relationshipmodel E R模型 E R模型的3个语义概念 实体 联系和属性 实体 对客观存在的起独立作用的事物的一种抽象 用矩形符号表示 包括 点 point 线 polyline 面 polygon 体 polyhedra 联系 实体间有意义的相互作用或对应关系 用菱形符号表示 包括 1 1 1 N M N三种类型 实体和联系之间用线段连接 属性 对实体和联系特征的描述 属性用椭圆表示 属性和实体 联系之间也用线段连接 E R模型的优点 接近人的思想 易于理解 同时 与计算机具体的实现无关 是一种很好的数据库概念设计方法 由于E R模型与计算机无关 所以没有一个数据库系统直接支持E R模型的实现 所以 一般用E R模型设计数据库的概念模型 然后 在逻辑设计阶段 把E R模型转换成计算机能够实现的数据模型 如关系数据模型 2 3 面向对象的数据模型 对象与实体一样是客观世界中客体的一种抽象的描述 它由客体的数据和对数据的操作组合而成 一 面向对象数据模型的基本概念 1 对象 一个对象就是现实世界中一个客体的模型化 它具有一个唯一的名称标志 并且把自身的状态和内在的功能封装在一起 2 消息 是对象之间相互请求或相互协作的唯一途径 外界能够引用对象操作及获取对象状态必须通过消息这一唯一途径 所以对象只依赖于本身状态和所能接受的消息 与其他对象无关 消息有公有与私有之分 如果一些消息都属于同一个对象 其中有些是可由其他对象向它发送的为公有消息 另外一些则是由它自己向自身发送的为私有消息 外界也不需要去了解它 3 类 对一组对象的抽象描述 它将该组对象所具有的共同特征集中起来 以说明该组对象的能力和性质 实例是类的一个具体对象 二 继承及类之间的层次关系 1 继承 是现实世界中对象之间的一种独特关系 它使得某类对象可以自然地拥有另外一类对象的某些特征和功能 继承性有双重作用 减少代码的冗余 通过协调性简化对象类相互之间的接口和界面 2 类的层次结构 把被继承的类称为超类或基类 继承其它类的对象称为子类或派生类 则超类和子类之间构成了层次结构 三 功能重载和多态性面向对象系统中消息的传递的实现是以重载和多态为支撑的 1 功能重载 意味着实现特定功能的方法不仅以名称来区分 而且以它所带的参数为区分 2 多态 是同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式 四 概括和聚集 1 概括 是把一组具有相同特征和操作的对象类归纳在一个更一般的超类中 2 聚集 反映了嵌套对象的概念 嵌套对象是由一些其他对象组成的 是用来描述更高层次对象的一种形式 五 空间数据库对象模型运用上述面向对象的概念和方法 就可以建立起地理信息系统中空间数据库的对象数据模型 六 ORM图ORM ObjectRoleModeling 即对象角色建模 是运用面向对象的原理进行数据库概念建模的软件工程方法 见书P123图4 13 面向对象的数据模型的优点 1 具有表示和构造复杂对象的能力 无论怎样复杂的事物都可模型化为一个对象 这样表示自然 易理解 2 封装性和信息隐蔽技术提供了模块化机制将每个对象的数据集和操作集封装起来 对外部只提供一个抽象接口 看不到实际的细节 从而使对象内部的修改并不影响用户对对象的使用 3 继承性提供了重用机制子对象可以继承其父类的全部属性和操作方法 称继承性 继承性提供了代码共享手段 有助于软件重用的实现 3空间数据库逻辑模型设计 一 关系数据模型 一种数学化的模型 它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表中的元素 称为关系 关系的结合构成关系模型 一 关系数据模型的一些基本概念 1 关系 一个二维表 行对应一个元组 列对应一个域 每一列取个名字 称为属性 2 关键字 某一唯一标识一个元组的属性组 主关键字对应的是主属性 3 关系模式 关系的描述 包括关系名 属性名 属性向域的映射 属性的类型 长度等 4 关系数据库 一系列关系的集合 有型 值之分 型是对数据库的描述 值是关系的集合 5 关系完整性 关系的正确性 相容性和有效性 包括 实体完整性 参照完整性 用户定义的完整性 二 空间数据库关系数据模型的逻辑设计 空间数据库关系模式的构造 就是点 线 面等空间实体的特征以关系模式加以表达和组织 可以用关系数据库的规范化理论进行设计 数据依赖 函数依赖 范式 二 逻辑模型设计目的是从概念模型导出特定的数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构 数据库的模式和外模式 这些模式在功能 性能 完整性和一致性约束及数据库可扩充性等方面均应满足用户需求 步骤 1 导出初始关系模式2 规范化处理3 模式评价4 优化模式5 形成数据库的逻辑设计说明书一个具体的ORM图 见书P129图4 19 逻辑模型设计的目的是把概念模型转为数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构 如把E R模型转换为关系模型 转换规则 一个实体类型转换成一个关系模式 实体的属性就是关系的属性 实体的关键字就是关系的关键字 教师 姓名 学历 一个联系类型转换成一个关系模式 参与该联系的各实体的关键字以及联系的属性转换成关系的属性 教师 课程 班级 E R模型 E R概念模型转换成关系模型 1 院长 实体 2 学院 院长 联系 3 教师 学院 联系 4 课表 教师 联系 5 学生 实体 6 学生 课程 联系 4空间数据库的物理设计 空间数据库的物理设计是从一个满足用户信息需求的 已确定的逻辑数据结构 即逻辑模型 出发 研制出一个有效的 可实现的物理数据库结构 存储结构或物理模型 的过程 物理设计包括 结构设计 把数据库逻辑设计的模型映射为关系数据库的物理结构 如关系数据库物理模型 约束设计 根据逻辑设计提供的对数据库的约束条件 设计建立数据库完整性措施 应用设计 查询设计 人机界面设计 输入 输出格式设计 代码设计 处理设计 5空间数据查询 空间数据库查询就是根据用户的要求 从数据库中找出符合用户需求的空间数据子集 空间数据查询功能分为三类 空间关系查询 对空间实体间存在的拓扑 顺序 距离 方位等关系的查询 点 线 面实体相互关系查询 ArcView属性数据查询 针对非空间的信息查询 利用SQL StructuredQueryLanguage 结构化查询语言 在属性数据中找出满足条件的空间实体 MapInfo空间属性联合查询 查询条件中既包括查询空间关系 又包含查询属性信息的要求 就是空间属性的联合查询 MapInfo 点 线 面实体相互关系的9种查询 5 1点 点查询查询某点实体给定距离范围内的其他点实体 如200km 步骤 1 激活点图层 选择一个点 2 SQL查询 200km以内的其他点 5 2线 点查询查询距离某线实体一定距离范围内的点实体 如200km 步骤 1 激活线图层 选择一条线 2 SQL查询激活点图层 输入查询条件 5 3面 点查询查询某面实体范围内的点实体 步骤 1 激活面图层 统一颜色 选择一个面 2 SQL查询激活点图层 输入查询条件 5 4点 线查询查询某点实体一定范围内的线实体 步骤 1 激活点图层 选择一个点 2 SQL查询激活线图层 输入查询条件 5 5线 线查询查询与某个线实体相连的其他线实体 步骤 1 激活线图层 选择一条线 2 SQL查询输入查询条件 5 6面 线查询查询经过某个面实体的线实体 步骤 1 激活面图层 选择一个面 2 SQL查询激活线图层 输入查询条件 5 7点 面查询查询某个点实体被包含在哪个面实体内部 步骤 1 激活点图层 选择一个点 2 SQL查询激活面图层 输入查询条件 5 8线 面查询查询某线实体经过的面实体 步骤 1 激活线图层 选择一条线 2 SQL查询激活面图层 输入查询条件 5 9面 面查询查询与某面实体相邻的其他面实体 步骤 1 激活面图层 选择一个面 2 SQL查询输入查询条件 补充空间量算 几何量算重心量算形状量算 一几何量算 1长度线状物体的长度是最基本的形态参数之一 在矢量数据格式下 线由点组成 线状物体表示为一个坐标串 Xi Yi 而线长度可由两点间直线距离相加得到 则线状物体长度的计算公式为 2 面积多边形的面积是一个重要指标 多边形边界可以分解为上下两半 其面积就是上半边界下的积分值与下半边界下的积分值之差 设面状物体的轮廓边界由一个点的序列P1 x1 y1 P2 x2 y2 Pn xn yn 表示 其面积为 一几何量算 2 面积 Y o X S S1 S2 S S2 S1 Y o X S1 X1 y1 X2 y2 X3 y3 X4 y4 X5 y5 S1 x2 x1 y1 y2 2 x3 x2 y2 y3 2 x4 x3 y3 y4 2 x5 x4 y4 y5 2 1 重心量算分两种情况 1 面状目标的重心 可以理解为多边形内的平衡点 正如一块均质木块被悬挂起来的平衡点 二重心量算 面状目标重心可以通过计算梯形重心的平均值而得到 将多边形的各个顶点投影到x轴上 就得到一系列梯形 如图 所有梯形重心的联合就确定了整个多边形的重心 按梯形计算重心位置 二重心量算 按梯形计算重心位置 设多边形的顶点序列 xi yi 按顺时针编码 则其重心的计算公式为 其中 和是第i个梯形的重心的x坐标和y坐标 是梯形的面积 它们由下式得到 二重心量算 按梯形计算重心位置 可理解为其分布中心 其重心计算方法是取离散目标的加权平均中心 它是离散目标保持均匀分布的平衡点 计算公式为 2面状分布离散目标的重心 其中 i为离散目标物 Wi为该目标物权重 Xi与Yi为其坐标 二重心量算 当把城市作为单个面状目标看待时 可以直接使用面状目标的形状系数 如形状率 圆形率 紧凑度等 这些指标计算较简单 但只反映一个抽象的形状 当把城市作为面状目标的集合看待时 可以使用放射状指数 标准面积指数等形状系数 这些指标计算较复杂 但反映了城市内部的具体联系 在多数指标中 都以圆形作为城市的标准形状 三形状量算 1 形状比 FORMRATIO 该指标能反映城市的带状特征 城市的带状特征越明显则形状比越小 显然 如果城市为狭长带状分布 其长轴两端的联系是不便捷的 形状比 A L2其中 A为区域面积 L为区域最长轴的长度 三形状量算 伸延率 L L 式中 L为区域最长轴长度 L 为区域最短轴长度 2 伸延率 ELONGATIONRATIO 该指标反映城市的带状延伸程度 带状延伸越明显则延伸率越大 反映城市的离散程度越大 三形状量算 紧凑度有三个不同的计算公式 公式1 紧凑度 其中 A为面积 P为周长 该指标反映城市的紧凑程度 其中圆形区域被认为最紧凑 紧凑度为1 其它形状的区域 其离散程度越大则紧凑度越低 3 紧凑度 COMPACTNESSRATIO 三形状量算 3 紧凑度指数 COMPACTNESSINDEX 公式2 紧凑度指数 A A 其中 A为区域面积 A 为该区域最小外接圆面积 该指标同样认为圆形区域最紧凑 其紧凑度为1 在计算中采用最小外接圆面积作为衡量城市形状的标准 三形状量算 3 紧凑度 COMPACTNESSRATIO 公式3 紧凑度 1 273A L2其中 L为最长轴长度 A为区域面积 该指标也认为圆形为标准形状 但它只考虑最长轴长度 只能概略地反映城市形状 三形状量算 4 放射状指数 RADIALSHAPEINDEX 放射状指数有两个不同的计算公式 较常使用的计算公式为 放射状指数 式中 di是城市中心到第i地段或小区中心的距离 n为地段或小区数量 这一指标不单纯是从抽象的形状入手 而是综合了城市内部各小区的位置特征 通过距离 可以结合时间 阻力等线路因素 反映城市中心与区内各部分之间的具体联系 三形状量算 5 标准面积指数式中 S为标准面积指数 A为区域面积 As为与区域面积相等的等边三角形面积 该指标把等边三角形作为标准形状 计算时 先换算出等边三角形 把等边三角形叠置在区域范围上 求出区域范围与等边三角形的交与并的面积 计算交与并的面积的比值S 0 S 1 标准面积指数能反映城市形状的破碎程度 城市形状越破碎 则其与等边三角形的交集越小而并集越大 所以其比值越小 不过 通常认为圆才是真正的紧凑形状 而并不是等边三角形 三形状量算 6空间数据库索引 索引 是数据库的一种数据快速查找的机制 通常是由关键字和存储地址组成 关键字标识数据记录 地址表示记录在数据库中的存储位置 索引就是一张关键字与地址的对照表 一 范围索引 即在记录每个空间实体的坐标时 同时记录每个空间实体的最大和最小坐标 查询时以最大和最小坐标进行判断 二 格网空间索引 将区域划分成大小相等的网格 记录每个网格内所包含的空间实体在数据库中的地址 三 四叉树空间索引 按前述方法进行四叉树划分空间 并建立其Morton码与空间实体的对应关系 然后按上述格网空间索引方法进行索引 7空间元数据 元数据 metadata 是 关于数据的数据 它反映某数据自身的一些特征 如 遥感数据的元数据卫星 SPOT5 接收日期 09 03 1602 40 34 象元大小2 5m 景中心坐标 30 243129N 120 190 260E 影像大小 10608 10562 操作员