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空间数据库 胡茂胜Tel mail humosen 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 第4章空间数据组织与管理 本章内容 4 1文件组织与数据库 4 2空间数据管理方式 4 3空间数据引擎 4 4空间数据与属性数据的连接 4 5空间数据组织 4 6栅格数据存储和管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 1 数据文件域 记录 物理 逻辑 文件2 数据库系统3 空间数据库系统 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 空间数据的存储形式 二进制流或复杂结构 如 Well KnownText WKT formatPOLYGON 00 100 1010 010 00 55 75 77 57 55 Well KnownBinary WKB format0101000000000000000000F03F000000000000F03FByteorder 01WKBtype 01000000X 000000000000F03FY 000000000000F03F 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 传统数据库 数据库事务和应用程序的需求是正交的 orthogonal 数据操作函数简单 包括 MIN MAX AVG等 衡量标准 数据从二级存储到主存之间的传输代价 即I O代价 应用程序 CPU密集型操作 空间数据库 涉及的函数计算复杂 数据太大 存储需求更高 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 磁盘的几何结构和含义 构成 主轴 磁盘片 磁道磁盘块 页面 磁盘与主存之间的最小传输单元 数据从磁盘向主存中传输过程 1 磁头到达特定磁道上 寻道时间ts 2 磁盘块旋转到磁头下方 延迟时间tl 3 磁头读或写块中数据 传输时间tt 固定的 总时间ta ts tl tt且满足ts tl tt 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 缓冲区管理器 DBMS中的一个软件模块 负责管理主存与二级存储之间的数据传输 置换策略 确保事务不会因为一部分数据不在主存中而停顿 关系数据库的缓冲区管理 主要基于关系查询行为 频繁访问集 hotset 模型 最近最少使用 LRU 算法 查询本地集 QLSM 模型 DBMIN算法 引用模式为 顺序引用 随机引用 分层引用 使用DBMIN比使用频繁集访问的算法的吞吐量高出7到13个百分点 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 域 记录和文件 文件是记录的集合 一个文件可能跨越多个页面 一个页面是槽 slot 的集合 每个槽包含一条记录 每条记录是相同或不同类型的域的集合 一条记录的域可以是定长或变长的 文件中的记录可以是有序或无序的 文件可以组织成链表或页面目录 例子 二进制大对象 BLOB 域类型 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 实例 将记录从Country City River表映射到磁盘页 River country City 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 文件结构 文件中记录的组织形式 1 无序文件 unorderedfile 又叫堆 heap 其中记录没有特定的顺序 是最简单的组织形式 优点 在进行插入操作时可以很容易地在文件末尾插入一条新记录 代价 平均需要检索一半的磁盘页面 最坏情况需访问所有存储该文件数据的磁盘页面 示例 上图River表 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 文件结构 文件中记录的组织形式 2 散列文件 hashedfile 使用散列函数把记录分到一系列散列单元中 优点 能够把数量大致相同的记录放入每个散列单元中 对于点的查询 插入和删除操作都非常有效 可以在一个常数时间内完成查询 与文件中记录的个数无关 缺点 不适合范围查询 例如查找名字以字母 B 开头的城市 代价 常数时间内完成查询 例如两次磁盘访问 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 1文件组织与数据库 示例 City表的散列文件组织方式 4 1文件组织与数据库 3 有序文件 orderedfile 根据给定的主码域对记录进行组织 优点 可以使用折半查找算法根据给定的主码属性值查找 可以进行范围查询 先用折半法查到第一个符合条件的记录 然后扫描后续记录 可以根据对空间数据集的文件组织方式而概括成空间聚类 缺点 不能直接应用在空间领域 例如 无法对城市的位置排序 代价 随文件中记录数的增加呈对数增长 log2 n 示例 4 1文件组织与数据库 存储City表的有序文件 已排序 4 1文件组织与数据库 聚集 目的 降低响应常见的大查询的寻道时间和等待时间 对空间数据库来说 在二级存储中 空间上相邻的和查询上有相关性的对象在物理上应当存储在一起 在SDBMS支持三种聚类 1 内部聚类 加快对单个对象的访问 一个对象的全部表示都存放在同一个磁盘页面中 或者多个物理上连续的页面中 2 本地聚类 加快对多个对象的访问 一组空间对象被分组到同一页面 可以依据数据空间中对象的位置来分组 3 全局聚类 与本地聚类相反 一组空间邻接的对象并不存储在一个而是多个物理上邻接的页面中 这些页面由一条单独的读命令访问 4 1文件组织与数据库 空间聚类技术 需从高维空间映射到一维空间 该映射是距离不变的 几种突出的映射方法 Z序列 Z order 格雷码 GrayCode Hilbert曲线 更为复杂的 最小割边图划分 几何学方法 R树等 Z曲线 Hilbert曲线 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 1 文件管理shp文件等2 文件与关系数据库混合管理3 关系数据库管理ArcGIS MapGIS SuperMap等4 面向对象数据库管理发展趋势5 对象关系数据库管理OracleSpatial 包含对象数据类型 SDO GEOMETRY 索引 操作等 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 1 文件管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 2 文件与关系数据库混合管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 3 关系数据库管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 4 面向对象数据库管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 5 对象关系数据库管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 2空间数据管理方式 实现实例ORACLESPATIAL空间数据存储解决方案 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 3空间数据引擎 SDE 1 什么是SDE2 SDE需要解决的问题空间对象提取 分析空间属性统一管理并发访问长事务管理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 3空间数据引擎 SDE SDE工作原理 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 3空间数据引擎 SDE SDE的作用 1 与空间数据库联合 为任何支持的用户提供空间数据服务 2 提供开放的数据访问 通过TCP IP横跨任何同构或异构网络 支持分布式的GIS系统 3 SDE对外提供了空间几何对象模型 用户可以在此模型基础之上建立空间几何对象 并对这些几何对象进行操作 4 快速的数据提取和分析 SDE提供快速的空间数据提取和分析功能 可进行基于拓扑的查询 缓冲区分析 叠加分析 合并和切分等 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 3空间数据引擎 SDE 5 SDE提供了连接DBMS数据库的接口 其他的一切涉及到与DBMS数据库进行交互的操作都是在此基础之上完成 6 与空间数据库联合可以管理海量空间信息 SDE在用户与物理数据的远程存储之间构建了一个抽象层 允许用户在逻辑层面上与数据库交互 而实际的物理存储则交由数据库来管理 数据的海量是由空间数据库管理系统来保障的 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 3空间数据引擎 SDE 7 无缝的数据管理 实现空间数据与属性数据统一存储 传统的地理信息的存储方式是将空间数据与属性数据分别存储 空间数据因其复杂的数据结构 多以文件的形式保存 而属性数据多利用关系数据库存储 而SDE涉及空间属性数据在DBMS中如何存储及管理 通过SDE 则可以把这两种数据同时存储到数据库中 实现空间属性数据一体化管理 保证了更高的存储效率和数据完整性 8 并发访问 SDE与空间数据库相结合 提供空间数据的并发响应机制 用户对数据的访问是动态的 透明的 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 3空间数据引擎 SDE 空间数据引擎实例MapInfo公司的SpatialWareArcGIS空间数据引擎国内SuperMap公司的XSDE 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 4空间数据与属性数据的连接 4种连接方式 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 5空间数据组织 1 纵向分层2 横向分块经纬分幅矩形分幅3 分层分块索引4 三维空间数据组织三维空间索引金字塔式数据组织 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 5空间数据组织 1 纵向分层 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 5空间数据组织 2 横向分块经纬分幅矩形分幅 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 5空间数据组织 3 分层分块索引 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 5空间数据组织 4 三维空间数据组织三维空间索引金字塔式数据组织 空间数据库原理 中国地质大学信息工程学院 4 6栅格数据存储