第四章 空间数据库.ppt

空间数据库 第四章 2020 3 22 2 第四章空间数据库 第一节数据库概述第二节数据库系统的数据模型第三节GIS中空间数据库的组织方式第四节GIS空间数据库建库方法思考与练习 2020 3 22 3 第一节数据库概述 数据库技术是20世纪60年代初开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术 建立数据库不仅仅是为了保存数据 扩展人的记忆 而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物 地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库 由于这类数据库具有明显的空间特征 所以有人把它称为空间数据库 2020 3 22 4 一 数据库 database DB 的定义 1 定义 数据库就是为了一定的目的 在计算机系统中以特定的结构组织 存储 管理和应用的相互关联的数据集合 2020 3 22 5 2 数据库与传统的数据管理的差别 计算机对数据的管理经过了三个阶段 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段数据库是数据管理的高级阶段 它与传统的数据管理相比有许多明显的差别 其中主要的有两点 一是数据独立于应用程序而集中管理 实现了数据共享 减少了数据冗余 提高了数据的效益 二是在数据间建立了联系 从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系 2020 3 22 6 3 空间数据库的特点 地理信息系统的数据库 简称为空间数据库 是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合 空间数据库与一般数据库相比 具有以下特点 1 数据量特别大 2 不仅有地理要素的属性数据 还有大量的空间数据 并且这两种数据之间具有不可分割的联系 3 数据应用范围相当广泛 2020 3 22 7 二 数据库的主要特征 数据库方法与文件管理方法相比 具有更强的数据管理能力 数据库具有以下主要特征 1 数据集中控制特征数据库集中控制和管理有关数据 以保证不同用户和应用可以共享数据 2 数据冗余度小的特征冗余是指数据的重复存储 在数据库中应该严格控制数据的冗余度 2020 3 22 8 3 数据独立性特征数据独立是数据库的关键性要求 数据独立是指数据库中的数据与应用程序相互独立 即应用程序不因数据性质的改变而改变 数据的性质也不因应用程序的改变而改变 2020 3 22 9 数据库的主要特征2 4 复杂的数据模型数据模型能够表示现实世界中各种各样的数据组织以及数据间的联系 复杂的数据模型是实现数据集中控制 减少数据冗余的前提和保证 采用数据模型是数据库方法与文件方式的一个本质差别 数据库常用的数据模型有三种 层次模型 网络模型和关系模型 2020 3 22 10 数据库的主要特征2 5 数据保护特征数据保护对数据库来说是至关重要的 一旦数据库中的数据遭到破坏 就会影响数据库的功能 甚至使整个数据库失去作用 数据保护主要包括四个方面的内容 安全性控制 完整性控制 并发控制 故障的发现和恢复 2020 3 22 11 三 数据库的系统结构 数据库是一个复杂的系统 数据库的基本结构可以分成三个层次 物理级 概念级和用户级 1 物理级 也称内模式或存储模式 数据库最内的一层 它是物理设备上实际存储的数据集合 物理数据库 是数据物理结构和存储结构的描述 2020 3 22 12 2 概念级 也称模式或逻辑模式 是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 是所有用户的公共数据视图 3 用户级 也称子模式或外模式 是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述 是数据库用户的数据视图 是与某一应用有关的数据的逻辑表示 四 数据库中数据组织方式 数据库中的数据组织一般可以分为四级 数据项 记录 文件和数据库 1 数据项 是可以定义数据的最小单位 也叫元素 基本项 字段等 2 记录 由若干相关联的数据项组成 对大多数据库系统 记录是处理和存储信息的基本单位 3 文件 文件是一给定类型的 逻辑 记录的全部具体值的集合 4 数据库 是比文件更大的数据组织 数据库是具有特定联系的数据的集合 也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合 数据库的内部构造是文件的集合 这些文件之间存在某种联系 不能孤立存在 2020 3 22 15 五 数据间的逻辑联系 数据之间的逻辑联系主要有三种 1 一对一的联系 1 1 这是一种比较简单的联系方式 这种联系可以表达为 在集合A中存在一个元素ai 则在集合B中就有一个且仅有一个bj与之联系 2020 3 22 16 数据间的逻辑联系2 2 一对多的联系 1 N 这种联系可以表达为 在集合A中存在一个ai 则在集合B中存在一个子集B bj1 bj2 bjn 与之联系 通常 B 是B的一个子集 2020 3 22 17 数据间的逻辑联系2 3 多对多的联系 M N 这是现实中最复杂的联系 即对于集合A中的一个元素ai 在集合B就存在一个子集B bj1 bj2 bjn 与之相联系 反过来 对于B集合中的一个元素Bj在集合A中就有一个集合A ai1 ai2 ain 与之相联系 Back 第二节数据库系统的数据模型 数据模型的主要任务就是研究记录类型之间的联系 目前 数据库领域采用的数据模型有层次模型 网状模型和关系模型 其中应用最广泛的是关系模型 2020 3 22 19 一 层次数据库模型 层次模型是数据处理中发展较早 技术上也比较成熟的一种数据模型 它的特点是将数据组织成有向有序的树结构 即一对多的关系 2020 3 22 20 一 层次数据库模型2 层次模型由处于不同层次的各个结点组成 除根结点外 其余各结点有且仅有一个上一层结点作为其 双亲 而位于其下的较低一层的若干个结点作为其 子女 结构中结点代表数据记录 连线描述位于不同结点数据间的从属关系 2020 3 22 21 层次模型反映了现实世界中实体间的层次关系 层次结构是众多空间对象的自然表达形式 并在一定程度上支持数据的重构 层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分 层次数据库结构特别适用于文献目录 土壤分类 部门机构等分级数据的组织 层次数据库模型的特点 优点 1 存取方便且速度快 2 结构清晰 容易理解 3 数据修改和数据库扩展容易实现 4 检索关键属性十分方便 缺点 1 结构呆板 缺乏灵活性 2 同一属性数据要存储多次 数据冗余大 3 不适合于拓扑空间数据的组织 2020 3 22 23 二 网络数据库模型 网络数据模型是数据模型的另一种重要结构 它反映着现实世界中实体间更为复杂的联系 网络数据模型的基本特征是 结点数据间没有明确的从属关系 一个结点可与其它多个结点建立联系 城市的交通联系学生选修课程 2020 3 22 24 网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显示连接关系 是具有多对多类型的数据组织方式 网络模型将数据组织成有向图 Digraph 结构 结构中结点代表数据记录 连线描述不同结点数据间的关系 网络数据库模型2 网络数据库模型的特点 优点 1 能明确而方便地表示数据间的复杂关系 2 数据冗余小 缺点 1 增加了用户查询和定位的困难 2 需要存储数据间联系的指针 使得数据量增大 3 数据的修改不方便 指针必须修改 2020 3 22 27 三 关系数据库模型 关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据 以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换 不分层也无指针 是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法 2020 3 22 28 关系模型是根据数学概念建立的 它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式 实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表 这种表就称为关系 一个实体由若干个关系组成 而关系表的集合就构成为关系模型 2020 3 22 29 关系模型不是人为地设置指针 而是由数据本身自然地建立它们之间的联系 并且用关系代数和关系运算来操纵数据 这就是关系模型的本质 2020 3 22 30 关系数据库模型2 在生活中表示实体间联系的最自然的途径就是二维表格 它是同类实体的各种属性的集合 二维表的表头 即表格的格式是关系内容的框架 这种框架叫做模式 关系由许多同类的实体所组成 每个实体对应于表中的一行 叫做一个元组 表中的每一列表示同一属性 叫做域 如图所示 关系数据库模型的特点 优点 1 结构灵活 2 能搜索 组合和比较不同类型的数据 3 增加和删除数据非常方便 缺点 1 数据库大时 查找满足特定关系的数据费时 2 对空间关系无法满足 标准DBMS存储空间数据的局限性 1 空间数据记录是变长的 如点数的可变性 而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定 2 在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷 3 一般都难以实现对空间数据的关联 连通 包含 叠加等基本操作 标准DBMS存储空间数据的局限性 4 不能支持复杂的图形功能 5 单个地理实体的表达需要多个文件 多条记录 一般的DBMS也难以支持 6 难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护 Back 2020 3 22 34 第三节GIS中空间数据库的组织方式 GIS中的数据大多数都是地理数据 它与通常意义上的数据相比 具有自己的特点 地理数据类型多样 各类型实体之间关系复杂 数据量很大 而且每个线状或面状地物的字节长度都不是等长的等等 2020 3 22 35 空间数据库建立的目的 空间数据库是一种应用于地理空间数据处理与信息分析领域的具有工程性质的数据库 它所管理的对象主要是地理空间数据 包括空间数据和非空间数据 2020 3 22 36 GIS中空间数据库的组织方式 目前 大多数商品化的GIS软件都不是采取传统的某一种单一的数据模型 也不是抛弃传统的数据模型 而是采用建立在关系数据库管理系统 RDBMS 基础上的综合的数据模型 归纳起来 主要有以下三种 一 混合结构模型二 扩展结构模型三 统一数据模型 2020 3 22 37 一 混合结构模型 HybridModel 它的基本思想是用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据 其中属性数据存储在常规的RDBMS中 几何数据存储在空间数据管理系统中 两个子系统之间使用一种标识符联系起来 如图 在检索目标时必须同时询问两个子系统 然后将它们的回答结合起来 2020 3 22 38 由于这种混合结构模型的一部分是建立在标准RDBMS之上 故存储和检索数据比较有效 可靠 但因为使用两个存储子系统 它们有各自的规则 查询操作难以优化 存储在RDBMS外面的数据有时会丢失数据项的语义 此外 数据完整性的约束条件有可能遭破坏 属这种模型的GIS软件有ARC INFO MGE SICARD GENEMAP等 2020 3 22 39 二 扩展结构模型 ExtendedModel 扩展结构模型采用同一DBMS存储空间数据和属性数据 其做法是在标准的关系数据库上增加空间数据管理层 这种模型的优点是省去了空间数据库和属性数据库之间的繁琐联结 空间数据存取速度较快 但由于是间接存取 在效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程 且查询过程复杂 如图 这种模型的代表性GIS软件有SYSTEM9 SMALLWORLD等 2020 3 22 40 三 统一数据模型 IntegratedModel 它不是基于标准的RDBMS 而是在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功能 如图 空间扩展完全包含在DBMS中 在核心DBMS中进行数据类型的直接操作很方便 有效 该模型的缺点是 用户必须在DBMS环境中实施自己的数据类型 对有些应用将相当复杂 属于此类综合模型的软件如TIGRIS intergraph GEO 荷兰 等 Back 2020 3 22 41 第四节GIS空间数据库建库方法 一 空间数据库建库的目的二 空间数据库建库的原则三 空间数据库建库的内容四 空间数据库建库流程五 空间数据库的基本功能 2020 3 22 42 一 空间数据库建库的目的 空间数据库建库的目的就是要将工作区域所有相关的数据有效地组织起来 并根据其地理分布建立统一的空间索引 进而可以快速调度数据库中任意范围的数据 达到对整个地形的无缝漫游和管理以及分发服务 2020 3 22 43 二 空间数据库建库的原则 1 先进性原则2 高效运行化原则3 建库与更新有机结合的原则4 多种比例尺数据协调原则5 标准性 规范性原则6 实用性原则 2020 3 22 44 三 空间数据库建库的内容 矢量地形数据库包括各级比例尺的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 其中包括地形要素间的空间关系及属性信息 库体按一定规则分层 分块组织 并按国家编码标准编码 2020 3 22 45 数字高程模型库 DEM 包括各级比例尺定义在平面 域 或理想椭球体面 内规则格网点上高程数据集构成的数据库 库中还含有离散高程点和地貌结构线 库体按区域块索引组织管理 2020 3 22 46 三 空间数据建库的内容2 影像数据库包括各级比例尺的由各种航天航空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 影像可以是全色的 也可以是多光谱的 地名数据库由我国基本比例尺地形图上各类地名 包括居民地 河流 湖泊 政区 山脉 山峰 海洋 岛屿名称等 信息构成的数据库 2020 3 22 47 三 空间数据建库的内容3 大地控制测量数据库由大地控制测量数据库和重力数据库组成 前者是由各类型 各等级的平面 高程控制测量成果 包括三角点 导线点 水准点 GPS点等 构成的数据库 后者是将实测重力点的各个标称值等建成的重力子库 连同高程子库 平均高程子库 平均空间重力异常子库和地形改正子库等构成的数据库 2020 3 22 48 三 空间数据建库的内容4 专题数据库由各种专题构成的数据库 如土地利用 矿产资源 土壤 人口等专题信息 按一定规则采集 处理形成的数据库 专题数据库通过某种关联信息与空间位置相关 元数据库由描述各个子数据库和库中各图块 层数据特性的元数据构成的数据库 2020 3 22 49 四 空间数据库建库流程 空间数据库管理软件空间数据库管理软件可选用GIS平台软件 如ESRI公司的ArcGIS 国内的MapGIS SuperMap等 矢量空间数据库可以采用全数据库 图形和属性数据都由数据库管理系统管理 的形式 也可以采用 文件系统 属性数据库 即图形数据采用文件系统管理 属性数据采用关系型数据库管理 的方式 2020 3 22 50 四 空间数据库建库流程 矢量地形数据库建库过程包括以下流程 建库规划 矢量数据入库检查 数据转换 投影变换 创建模板工作区 创建一个空的属性数据库 定义地物类参数 设置地物层 建立矢量空间数据库 正射影像数据库建库过程包括以下流程 影像建库原则 影像建库规划 数据格式转换 数据质量检查 影像入库 创建小比例尺的空的图像子工程 创建图像超工程 抽取图像金字塔 2020 3 22 51 四 空间数据库建库流程 DEM建库过程包括以下环节 确定坐标系统 规划工程参数 DEM数据及格式转换 数据质量检查 DEM入库 创建金字塔 2020 3 22 52 五 空间数据库的基本功能 矢量地形数据库管理功能数据库管理模式 数据入库一致性检验和控制 数据完整性检验和控制 数据库查询 数据库显示和制图 数据库提取 数据库更新 2020 3 22 53 正射影像数据库管理功能的要求入库数据格式 图幅数据入库范围控制 空间索引组织方式 分布式存储 数据库查询量算 数据显示 数据提取 分发 数据库更新及源数据更新 历史数据管理 数据库恢复 2020 3 22 54 五 空间数据库的基本功能2 3 DEM生成 建立DEM库及功能空间索引建立 元数据库 DEM数据的入库检查 数据显示 数据库查询 地形分析 数据提取 数据库更新及其元数据的更新 地名数据库功能要求多种检索方式 支持任意条件的查询 地名库和图形库的双向查询 2020 3 22 55 五 空间数据库的基本