地理信息系统空间数据库PPT课件

精品课件 1 第1节空间数据库概述第2节空间数据模型第3节空间数据库的设计第4节空间数据库的建立与维护第5节时态数据库概述 第五章GIS空间数据库 教学要求 教学重点 教学活动 作业 教学要求1 掌握空间数据库的基本概念及其特点 2 理解不同数据模型在管理空间数据中的优缺点 3 掌握空间数据库的设计及建立的一般过程 教学重点1 不同数据模型在管理空间数据上的优势和不足 2 空间数据库的设计过程 教学活动在学校图书馆或网络上查阅相关的地理信息系统教材和杂志 进一步理解空间数据概念 了解空间数据库技术的最新进展等相关问题 返回上一页 第1节空间数据库概述 一 空间数据库的概念 空间数据库 以特定的信息结构和数据模型表达 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 空间信息 指在信息世界中有关地理空间实体的信息 是从现实世界到信息世界的抽象 是对现实世界的第一次抽象 信息结构和数据模型 指在计算机世界中 通过抽象 建模形成不同数据种类的表示 通过GIS数据库所建立的数据模型来进行存储 获取 表达和管理 是从信息世界到计算机世界的抽象 是对现实世界的第二次抽象 一 空间数据库的概念 空间数据库管理系统 SDBMS 是处理空间数据库中数据的存取和各种管理控制的软件 它是数据库系统的核心 应用程序对数据库的操作全部通过SDBMS进行 SDBMS通常具有如下功能 第1节空间数据库概述 数据库的定义功能 给出数据库的框架 数据库的管理功能 对数据进行更新 存取 数据库的维护功能 改善系统性能 受损后的复原 用户管理等 通讯功能 具有与操作系统的接口 与各种语言的接口 与其它数据库通讯等能力 一 空间数据库的概念 空间数据库系统 SDBS 指由空间数据库 空间数据库管理系统 应用系统 数据库管理员和用户构成的能完成某些特定任务的系统总和 第1节空间数据库概述 精品课件 7 二 空间数据库的主要特征A 空间数据库具有一般数据库所共有的特征 数据集中控制 数据独立 数据共享 较小的数据冗余 统一的数据保护功能 在文件管理方法中 文件是分散的 文件之间一般是没有联系的 不能按照统一的方法来控制 维护和管理 而数据库则很好地克服了这一缺点 可以集中控制 维护和管理有关数据 数据库中的数据独立于应用程序 包括数据的物理独立性和逻辑独立性这给数据库的使用 调整 优化和进一步扩充提供了方便 提高了数据库应用系统的稳定性 数据库中的数据可以供多个用户使用 每个用户只与数据库中的一部分数据发生联系用户数据可以重叠 用户可以同时存取数据而互不影响 大大提高了数据库的使用效率 数据库中的数据不是面向应用 而是面向系统 数据是按照一定的数据模型组织 描述和存储 并进行集中管理 具有较小的冗余度 也提高了数据的一致性 多用户共享数据资源时 严格检查用户使用数据 规定用户的访问和存取权限 确保数据的安全性 一致性和并发控制 第1节空间数据库概述 精品课件 8 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化 分类编码特征 海量数据特征 空间特征是空间数据库的最主要特征 它描述的是空间物体的位置 形态和空间关系 第1节空间数据库概述 精品课件 9 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化 分类编码特征 海量数据特征 空间数据描述的是真实世界所具有的综合特征 非常复杂 必须经过抽象处理 在不同的抽象中 同一地物可能会有不同的语义特征 第1节空间数据库概述 精品课件 10 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化 分类编码特征 海量数据特征 空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外 空间数据中也记录了拓扑数据结构表达的多种空间关系 这种拓扑数据结构一方面方便了空间数据的查询和空间分析 另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂程度 第1节空间数据库概述 精品课件 11 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化 分类编码特征 海量数据特征 不同观察尺度具有不同的比例尺和精度 同一地物在不同情况下会有形态差异 第1节空间数据库概述 精品课件 12 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化 分类编码特征 海量数据特征 在关系数据库管理系统中 数据记录是结构化的 记录是定长的 数据项不容许有嵌套 空间数据不满足结构化要求 记录数据项是变长的 不满足关系数据模型的范式要求 第1节空间数据库概述 精品课件 13 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化特征 分类编码特征 海量数据特征 在GIS数据库系统中 每一个空间对象都有一个标识码和分类码 第1节空间数据库概述 精品课件 14 二 空间数据库的主要特征B 空间数据库有别于一般数据库的特征 空间特征 抽象特征 空间关系特征 多尺度与多态性 非结构化特征 分类编码特征 海量数据特征 空间数据量是巨大的 通常称为海量数据 其数据量比一般通用数据库要大得多 一个城市的数据量要达到TB级 第1节空间数据库概述 精品课件 15 三 GIS空间数据管理模式的发展 基于文件管理的方式各个GIS应用程序对应各自的空间和属性数据文件 当两个GIS应用程序需要相同的数据时 需要提出来作为公共数据文件 缺点 程序依赖于数据文件的存储结构 数据文件修改时 应用程序也随之需要改变 当多个程序共享同一数据文件时 文件的修改需得到所有应用程序的许可 不能达到真正的共享 第1节空间数据库概述 精品课件 16 三 GIS空间数据管理模式的发展 文件与关系数据库混合管理系统 双元模式除OID作为连接关键字以外 两者几乎独立地组织 管理和检索 图形与属性各自分开的处理模式 早期系统 图形与属性在同一界面下的处理模式 第1节空间数据库概述 精品课件 17 图形与属性结合的各自分开处理模式 早期的数据库系统不提供编程的高级语言接口 只能采用数据库操纵语言 精品课件 18 图形与属性在同一界面下的处理模式 数据库技术的发展使大多数数据库管理系统提供高级语言的接口 GIS可在高级语言环境下直接操纵属性数据 并通过高级语言的对话框和列表框显示属性数据 精品课件 19 三 GIS空间数据管理模式的发展 文件与关系数据库混合管理系统 双元模式除OID作为连接关键字以外 两者几乎独立地组织 管理和检索 第1节空间数据库概述 缺点 空间数据与属性数据分开存储 在表现地理空间数据方面缺乏完整的语义表达和存储机制 难以保证数据的存储和操作的统一 精品课件 20 三 GIS空间数据管理模式的发展 全关系型空间数据库管理系统 分层模式图形数据与属性数据统一用RDBMS管理 GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳 管理空间数据的功能模块 第1节空间数据库概述 两种模式 基于关系模型的方式 图形数据按关系数据模型组织 因涉及一系列关系连接运算 因而费时 将图形数据的变长部分处理成BinaryBlock字段 该方式省去大量关系连接操作 但BinaryBlock的读写效率比定长的属性字段慢得多 特别涉及对象的嵌套时 更慢 精品课件 21 三 GIS空间数据管理模式的发展 对象 关系数据库管理系统DBMS软件商在RDBMS中进行扩展 使之能直接存储和管理非结构化的空间数据如Informix和Oracle等都推出了空间数据管理的专用模块 定义了操纵点 线 面 圆等空间对象的API函数 第1节空间数据库概述 该扩展的空间对象管理模块主要解决空间数据的变长记录的管理由于是由数据库软件商扩展的 效率比二进制块的管理高得多 但仍没有解决对象的嵌套问题 空间数据结构不能由用户定义 使用上受一定限制 精品课件 22 三 GIS空间数据管理模式的发展 面向对象GIS数据库管理系统面向对象数据库系统所具有的优势 缩小了语义差距 减轻了 阻抗失配 问题 适应非传统应用的需要 第1节空间数据库概述 面向对象的模型最适应于空间数据的表达和管理 支持变长记录和对象的嵌套以及信息的继承和聚集 允许用户定义对象和对象的数据结构以及它的操作 数据结构可以带拓扑关系 传统数据库应用要求将数据库语句嵌入到程序设计语言中 而数据库语言和程序设计语言的类型系统和计算模型不同 因此其结合是不自然的 这个现象被称为 阻抗失配 在OODB中 把需要程序设计语言编写的操作都封装在对象的内部 从本质上讲 OODB的问题求解过程只表现为一个消息表达式的集合 这种适应性主要表现在 能够定义和操纵复杂对象 具备引用共享和并发共享机制以及灵活的事务模型 支持大量对象的存储和获取等等 面向对象的GIS软件 System9 SmallWorld ArcGIS GeoStar 精品课件 23 参考文献 1 地理信息系统数据库 张新长 马林兵 张青年 科学出版社 2005 2 空间数据库 ShashiShekhar SanjayChawla著 谢昆青 等译 机械工业出版社 2004 精品课件 24 一 GIS数据模型的概念数据模型 是指数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织形式 它以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系 第2节空间数据模型 选择与建立数据模型的目的是 用最佳的方式表达实体对象及其相互关系 并能以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口数据模型的三要素 数据结构 数据操作和数据的约束条件 精品课件 25 二 层次数据模型将地理数据按自然的层次关系组织成有向有序的树形结构 结构中的结点代表数据记录 连线描述位于不同结点数据间的从属关系 一对多的关系 第2节空间数据模型 层次模型是数据库技术中发展最早 技术上比较成熟的一种数据模型1969年美国IBM公司开发了第一个数据库系统IMS就是一个层次数据库系统 精品课件 26 二 层次数据模型 第2节空间数据模型 优点 将数据组织成有向有序结构反映了现实世界中实体之间的层次关系 层次数据模型用于GIS地理数据库的局限性 难以描述复杂实体之间的联系 描述多对多关系时导致物理存储冗余 对象查询必须从根结点开始 低层次对象查询效率很低 反向查询难 数据独立性差 数据更新涉及许多指针 插入和删除操作比较复杂 父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除 层次命令具有过程式性质 要求用户了解数据的物理结构 并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径 基本不具备演绎功能和操作代数基础 精品课件 27 三 网状数据模型将数据组织成有向图结构 图中结点代表数据记录 连线描述不同结点数据间的联系 结点数据之间没有明确的从属关系 任何两结点都能发生联系 可表示多对多关系 第2节空间数据模型 20世纪70年代网状数据库系统发展迅速 代表性的有IDMS IDS DMSIIOO等 精品课件 28 三 网状数据模型 第2节空间数据模型 优点 可以描述现实世界中极为常见的多对多的关系 网状数据模型用于GIS地理数据库的局限性 网状结构复杂 用户查询时定位困难 要求用户熟悉数据的逻辑结构 知道自己所处的位置 网状数据操作命令具有过程式性质 不直接支持对于层次结构的表达 基本不具备演绎功能和操作代数基础 精品课件 29 四 关系数据模型在关系数据模型中 数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表 表具有固定的列数和任意行数 在数学上称为 关系 第2节空间数据模型 20世纪70年代初 CoddE F 提出关系数据模型的概念和关系代数及关系演算理论上确定了完整的关系数据库设计理论实践上开发了许多关系数据库系统 如SYSTEM INGRES ORACLE 精品课件 30 四 关系数据模型 第2节空间数据模型 优点 结构简单灵活 容易维护和理解 数据的修改和更新方便 一般DBMS管理属性数据方便可靠 管理图形数据有局限 无法用递归和嵌套的方式来描述复杂的层次和网状结构 模拟和操作复杂地理对象的能力较弱 对复杂结构地理对象的描述 需对实体进行不自然的分解 导致存储模式 查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理 概念模式和存储模式的相互独立性 导致关系之间的联系需要执行联接操作 系统开销较大 运行效率不够高 难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系 不能支持GIS需要的一些复杂图形功能及包含 叠加等操作 精品课件 31 五 面向对象的数据模型 面向对象的基本思想通过对问题领域进行自然的分割 用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型 并进行结构模拟和行为模拟 从而使设计出的程序能尽可能地直接表现出问题的求解过程 基本概念 第2节空间数据模型 精品课件 32 五 面向对象的数据模型 面向对象的特性 抽象 封装 多态 第2节空间数据模型 是对现实世界的简明表示 对象是抽象思维的结果 抽象思维是通过概念 判断 推理来反映对象的本质 揭示对象内部联系的过程 是指同一消息被不同对象接收时 可解释为不同的含义 精品课件 33 五 面向对象的数据模型 面向对象的四种核心技术 分类 概括 聚集 联合 第2节空间数据模型 把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程 对象和类的关系是 实例 instanceof 将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次 更具一般性的超类的过程 子类是超类的一个特例 子类与超类是 即是 的关系 is a 是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级复合对象的过程 成分 与 复合对象 的关系是 部分 parts of 的关系 将同一类对象中的几个具有部分相同属性值的对象组合起来 形成一个更高水平的集合对象的过程 成员 与 集合对象 的关系是 成员 member of 的关系 精品课件 34 五 面向对象的数据模型 面向对象的核心工具 继承 传播 第2节空间数据模型 精品课件 35 五 面向对象的数据模型 面向对象地理数据模型的含义 第2节空间数据模型 指在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型 并用面向对象的方法进行统一的抽象 从而可以有效地描述复杂的事物或现象 其具体实现就是面向对象的数据结构 精品课件 36 五 面向对象的数据模型 面向对象地理数据模型的特点 可充分利用现有数据模型的优点 具有可扩充性 可以模拟和操纵复杂对象 第2节空间数据模型 是一种基于抽象的模型 允许设计者在基本功能上选择最为适用的技术如可以把矢量和栅格数据结构统一为一种高层次的实体结构 这种结构可以具有矢量结构和栅格结构的特点 但实际的操作仍然是矢量数据用矢量运算 栅格数据用栅格算法 由于对象是相对独立的 因此可以很自然和容易地增加新的对象 并且对不同类型的对象具有统一的管理机制 传统的数据模型是面向简单对象的 无法直接模拟和操纵复杂实体 而面向对象的数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力 精品课件 37 第3节空间数据库设计 数据库设计 就是把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程 具体讲 对于一个给定的应用环境 提供一个确定最优数据模型与处理模式的逻辑设计 以及一个确定数据库存储结构与存取方法的物理设计 建立能反映现实世界信息和信息联系 满足用户要求 能被某个DBMS所接受 同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库空间数据库的设计 是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程 主要包括需求分析 结构设计和数据层设计三部分 精品课件 38 第3节空间数据库设计 一 需求分析需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础 主要进行以下工作 1 调查用户需求了解用户特点和要求 取得设计者与用户对需求的一致看法2 需求数据的收集和分析包括信息需求 信息内容 特征 需要存储的数据 信息加工处理要求 如响应时间 完整性与安全性要求等3 编制用户需求说明书包括需求分析的目标 任务 具体需求说明 系统功能与性能 运行环境等 是需求分析的最终成果 精品课件 39 第3节空间数据库设计 一 需求分析在需求分析阶段完成数据源的选择和对各种数据集的评价1 数据源的选择一个实用GIS系统的开发 其数据库开发的造价占整个系统造价的70 80 所以数据库内数据源的选择对整个系统格外重要数据来源有 地图 遥感影象 GPS数据及已有数据2 对各种数据集的评价GIS数据来源多种 质量不同 需要评价 从以下三个方面进行 数据的一般评价 数据是否为电子版 是否为标准形式 是否可直接被GIS使用 是否为原始数据 是否是可替代数据 是否与其他数据一致 区域范围 比例尺 投影方式 坐标系等 数据的空间特性 包括空间特征的表示形式是否一致 如GPS点 大地控制测量点等 空间地理数据的系列性 不同地区信息的衔接 边界匹配问题等 属性数据特征的评价 包括属性数据的存在性 属性数据与空间位置的匹配性 属性数据的编码系统及属性数据的现势性等 精品课件 40 第3节空间数据库设计 二 结构设计指空间数据结构设计 结果是得到一个合理的空间数据模型 是空间数据库设计的关键 空间数据模型越能反映现实世界 在此基础上生成的应用系统就越能较好地满足用户对数据处理的要求 空间数据库设计的实质 是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程 也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题 精品课件 41 第3节空间数据库设计 二 结构设计1 概念设计是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象 最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型的过程 具体过程是 对所收集的信息和数据进行分析 整理 确定实体 属性及其联系 形成独立于计算机的反映用户观点的概念模式 概念模式与具体的DBMS无关 结构稳定 能较好地反映用户的信息需求 表示概念模型最有力的工具是E R模型 包括实体 联系和属性三个基本成分 精品课件 42 第3节空间数据库设计 二 结构设计2 逻辑设计 是将概念模型结构转换为具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构 或外模式 主要包括确定 确定数据项 记录及记录间的联系 安全性 完整性 一致性约束导出的逻辑结构是否与概念模式一致 能否满足用户要求 还要对其功能和性能进行评价 并予以优化从E R模型向关系模型转换的主要过程为 确定各实体的主关键字 确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式 即某一数据项决定另外的数据项 把经过消除冗余数据处理的关系表达式中的实体作为相应的主关键字 根据 形成新的关系 完成转换后 进行分析 评价和优化 精品课件 43 第3节空间数据库设计 三 物理设计物理设计 是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现 确定数据在介质上的物理存储结构 其结果是导出地理数据库的存储模式 内模式 主要内容 包括 确定记录存储格式 选择文件存储结构 决定存取路径 分配存储空间物理设计的好坏将对地理数据库的性能影响很大 一个好的物理存储结构必须满足两个条件 一是地理数据占有较小的存储空间 二是对数据库的操作具有尽可能高的处理速度 物理设计在很大程度上与选用的数据库管理系统有关 精品课件 44 第3节空间数据库设计 四 数据层设计 GIS数据按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层 数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的 数据的专业内容的类型通常是数据分层的主要依据 同时也要考虑数据之间的关系 如两类物体共享边界等 如地形图数据 可分为地貌 水系 道路 植被 控制点 居民地等诸层分别存贮 不同类型的数据由于其应用功能相同 在分析和应用时会同时用到 在设计时应反映出这样的需求 即可将这些数据作为一层例如 多边形的湖泊 水库 线状的河流 沟渠 点状的井 泉等最后得出各层数据的表现形式 各层数据的属性内容和属性表之间的关系等 精品课件 45 第3节空间数据库设计 五 数据字典设计数据字典用于描述数据库的整体结构 数据内容和定义等 数据字典的内容包括 1 数据库的总体组织结构 数据库总体设计的框架2 各数据层详细内容的定义及结构 数据命名的定义3 元数据 有关数据的数据 是对一个数据集的内容 质量条件及操作过程等的描述 精品课件 46 第4节空间数据库的建立和维护 一 空间数据库的建立1 建立空间数据库结构利用DBMS提供的数据描述语言描述逻辑设计和物理设计的结果 得到概念模式和外模式 编写功能软件 经编译 运行后形成目标模式 建立起实际的空间数据库结构 2 数据装入一般由编写的数据装入程序或DBMS提供的应用程序来完成 在装入数据之前要做许多准备工作 如对数据进行整理 分类 编码及格式转换 装入的数据要确保其准确性和一致性 最好是把数据装入和调试运行结合起来 先装入少量数据 待调试运行基本稳定了 再大批量装入数据 3 调试运行装入数据后 要对地理数据库的实际应用程序进行运行 执行各功能模块的操作 对地理数据库系统的功能和性能进行全面测试 包括需要完成的各功能模块的功能 系统运行的稳定性 系统的响应时间 系统的安全性与完整性等 经调试运行 若基本满足要求 则可投入实际运行 精品课件 47 第4节空间数据库的建立和维护 二 空间数据库的维护1 空间数据库的重组织 指在不改变空间数据库原来的逻辑结构和物理结构的前提下 改变数据的存储位置 将数据予以重新组织和存放 2 空间数据库的重构造指局部改变空间数据库的逻辑结构和物理结构 数据库重构通过改写其概念模式 逻辑模式 的内模式 存储模式 进行 3 空间数据库的完整性 安全性控制完整性是由后映象日志来完成 当发生系统或介质故障时 利用它对数据库进行恢复 安全性指对数据的保护 主要通过权限授予 审计跟踪 以及数据的导出和装入来实现 精品课件 48 第5节GIS时态数据库概述 一 空间时态数据库概述TGIS目前基本上还处在实验阶段 国内外均未见成型的TGIS应用系统 其理论主要集中在时空数据模型方面在国外 Langran和Chrisman最早在1998年就给出了TGIS概念设计的框架 随后又提出了四种基本的时空数据模型 时空立方体模型 快照模型 基态修正模型和时空复合模型在国内 舒红 陈军等给出了时态对象结构的形式化定义 时态拓扑关系点集拓扑理论描述及逻辑谓词描述 并设计了面向对象的时空数据模型 探讨了连续时间变化的空间实体建模理论 精品课件 49 第5节GIS时态数据库概述 二 时空数据库系统的主要研究内容1 空间时态数据的表达2 空间时态数据的更新3 空间时态数据的查询由上述分析可以看出 时空建模已取得了长足的进步 但是GIS的时态问题远未解决在时态GIS的发展过程中 人们提出了许多时空数据模型 其中比较成功的有连续快照模型 基态修正模型 时空复合模型 时空立方体模型及近来发展起来的基于事件的方法和面向对象的方法 下面近就前四种作一比较 精品课件 50 第5节GIS时态数据库概述 二 时空数据库系统的主要研究内容1 连续快照模型快照模型在快照数据库中仅保留当前数据状态更新后的数据 旧数据的变化值不再保留 而连续快照模型则是将一系列的时间片段快照保存起来 反映整个空间特征的状态 根据需要对指定的时间片段的现实片段进行播放 由于快照将未发生变化的特征重复进行存储 会产生大量的数据冗余 对于象地籍信息变化这样频繁且数据量大的情况 采用该模型将极大地降低系统的效率 因此不适合地籍时空数据建模 精品课件 51 第5节GIS时态数据库概述 二 时空数据库系统的主要研究内容2 基态修正模型 底图叠加模型 为了避免连续快照模型将每个未发生变化的部分的快照特征重复进行记录存储 基态修正模型按一定的时间间隔采样 只存储某个时间的数据状态 基态 和相对于基态的变化量 基态修正模型的每个对象只需存储一次 每变化一次只需要较少的数据需要记录 同时 只有在事件发生或对象发生变化时才存入系统中 时态分辨率刻度值与事件发生的时刻完全对应 它具有少的数据冗余 对它辅以一定的索引机制或其他时空