第6章空间数据管理

1、第六章第六章 空间数据管理空间数据管理本章主要介绍主要介绍：数据库与数据库管理系统的概念、数据库主要介绍：数据库与数据库管理系统的概念、数据库模型、空间数据库管理系统、空间数据组织与管理、模型、空间数据库管理系统、空间数据组织与管理、空间索引空间索引1. 1. 数据与数据文件数据与数据文件2. 2. 数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统3.3. 数据库模型数据库模型4. 4. 空间数据库管理系统空间数据库管理系统5. 5. 空间数据的组织空间数据的组织6. 6. 空间索引空间索引本章重点与作业本章重点与作业本章内容：本章内容：v1.1 1.1 数据组织分级数据组织分级v1.2 1.2

2、数据之间的逻辑关系数据之间的逻辑关系v1.3 1.3 常用数据文件常用数据文件1. 1. 数据与数据文件数据与数据文件 数据组织的层次可以有两类分级方法：按逻辑单位分数据组织的层次可以有两类分级方法：按逻辑单位分级、按物理单位分级级、按物理单位分级 数据物理单位数据物理单位是指数据在存储介质上的存储单位是指数据在存储介质上的存储单位, ,层层次结构为次结构为: :比特、字节、字、块（物理纪录）、桶和比特、字节、字、块（物理纪录）、桶和卷卷 数据逻辑单位数据逻辑单位的层次有：数据项、记录、文件、数据的层次有：数据项、记录、文件、数据库库 数据库中数据的组织一般可以分为四级：数据项、记数据库中数据

3、的组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件、数据库录、文件、数据库v1.1 1.1 数据组织分级数据组织分级1 1）数据项）数据项q数据项是定义数据的最小单位，也叫基本项、字数据项是定义数据的最小单位，也叫基本项、字段段q数据项的取值范围称为数据项的取值范围称为域域q数据项可以是数字的、字母的、字母数字的、汉数据项可以是数字的、字母的、字母数字的、汉字的等形式字的等形式q数据项可以构成组合数据项，如日期由年、月、数据项可以构成组合数据项，如日期由年、月、日三个数据项组合而成日三个数据项组合而成2 2）记录）记录q记录是由若干相关联的数据项组成；记录是应用程记录是由若干相关联的数据项组成；记录是

4、应用程序输入、输出的逻辑单位序输入、输出的逻辑单位q记录有型、值之分记录有型、值之分型是同类记录的框架型是同类记录的框架值是记录反映实体的内容值是记录反映实体的内容q为了唯一标识每一条记录为了唯一标识每一条记录, ,没条记录必须有一个标没条记录必须有一个标识符识符, ,也叫关键字也叫关键字q记录又分逻辑记录、物理记录记录又分逻辑记录、物理记录逻辑记录是文件中按信息的逻辑在逻辑上的独立意义来逻辑记录是文件中按信息的逻辑在逻辑上的独立意义来划分的数据单位划分的数据单位物理记录是单个输入、输出命令进行数据存取的单元物理记录是单个输入、输出命令进行数据存取的单元一个物理记录可以对应多个逻辑记录；若干物

5、理记录存一个物理记录可以对应多个逻辑记录；若干物理记录存放一个逻辑记录放一个逻辑记录3 3）文件）文件q文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值得集合得集合q一个属性表可以是一个文件，一幅矢量地图的某一个属性表可以是一个文件，一幅矢量地图的某层可以是一个文件层可以是一个文件q文件可以分为：顺序文件、索引文件、直接文件、文件可以分为：顺序文件、索引文件、直接文件、倒排文件倒排文件4 4）数据库）数据库q数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以是数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以是特定联系的多种类型的记录集合特定联系的多种类型的记录集合q数据库的内

6、部构造是文件的集合，这些文件之间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，不能孤立存在存在某种联系，不能孤立存在如如GISGIS数据库是多种数据文件和多种属性表的集数据库是多种数据文件和多种属性表的集合合v1.2 1.2 数据之间的逻辑关系数据之间的逻辑关系 数据间的逻辑关系主要是指记录与记录之间的关数据间的逻辑关系主要是指记录与记录之间的关, ,主主要包括三种要包括三种: :q一对一的关系一对一的关系q一队多的关系一队多的关系q多对多的关系多对多的关系v1.3 1.3 常用数据文件常用数据文件 数据组织包括：数据在内存中的组织、数据在外存中数据组织包括：数据在内存中的组织、数据

7、在外存中的组织两个方面的组织两个方面 而文件组织是数据组织的一部份，文件组织主要指数而文件组织是数据组织的一部份，文件组织主要指数据记录在外存设备上的组织，它由操作系统进行管理据记录在外存设备上的组织，它由操作系统进行管理 操作系统实现文件组织形式：操作系统实现文件组织形式：q顺序文件、索引文件、直接文件、倒排文件顺序文件、索引文件、直接文件、倒排文件 1 1）顺序文件）顺序文件q早期的顺序文件是按记录来到的先后顺序排列，这种早期的顺序文件是按记录来到的先后顺序排列，这种方法的特点是：插入容易、检索效率比较低方法的特点是：插入容易、检索效率比较低q现在的顺序文件是按记录的主关键字的顺序进行组织

8、现在的顺序文件是按记录的主关键字的顺序进行组织q顺序文件的组织形式：顺序文件的组织形式：逻辑上是按关键字排序，而在逻辑上是按关键字排序，而在物理存储上可以有三种形式：物理存储上可以有三种形式：向量方式：向量方式：物理结构与逻辑结构一致，查找方便，插入记物理结构与逻辑结构一致，查找方便，插入记录困难录困难链方式：链方式：文件的逻辑顺序靠链来实现，每条记录含有一个文件的逻辑顺序靠链来实现，每条记录含有一个指针（下一记录）指针（下一记录）块方式：块方式：把文件分为块，块之间用指针连接，而块内则是把文件分为块，块之间用指针连接，而块内则是顺序存储的顺序存储的q顺序文件查找：顺序文件查找：根据文件的物理

9、结构不同而不同：顺根据文件的物理结构不同而不同：顺序查找、分块查找（块中最后一个记录）、折半查找序查找、分块查找（块中最后一个记录）、折半查找 2 2）索引文件）索引文件q除存储记录本身（主文件）之外，还建立若干索引表，除存储记录本身（主文件）之外，还建立若干索引表，带有索引表的文件叫索引文件带有索引表的文件叫索引文件q索引表中记录关键字和记录在文件中的位置（地址）索引表中记录关键字和记录在文件中的位置（地址）q查找记录时，先根据记录的关键字值到索引表中获得查找记录时，先根据记录的关键字值到索引表中获得记录在文件中的位置，然后取出该记录记录在文件中的位置，然后取出该记录q索引文件可以是顺序的索

10、引文件可以是顺序的/ /非顺序的，也可以是单级的非顺序的，也可以是单级的/ /多级的多级的 3 3）直接文件）直接文件q直接文件也称直接文件也称随机文件随机文件，它根据记录关键字的值通过，它根据记录关键字的值通过某种转换方法得到一个物理存储位置，然后把记录存某种转换方法得到一个物理存储位置，然后把记录存储在该位置上，查找时也是同样求记录的位置储在该位置上，查找时也是同样求记录的位置q由于直接文件的构造是根据某种方法（如哈希算法）由于直接文件的构造是根据某种方法（如哈希算法）进行关键字到存储位置的转换，会存在进行关键字到存储位置的转换，会存在“冲突冲突”问题问题（多个记录的存储地址会一致），必须

11、解决（如链地（多个记录的存储地址会一致），必须解决（如链地址法）址法）q特点特点：可以根据记录的关键字直接访问记录，即可以：可以根据记录的关键字直接访问记录，即可以随机查询随机查询 4 4）倒排文件）倒排文件q文件按次关键字来组织索引时，称为辅助索引，带有文件按次关键字来组织索引时，称为辅助索引，带有这种辅助索引的文件称为倒排文件这种辅助索引的文件称为倒排文件q倒排文件中的索引不能唯一标识记录，往往同一索引倒排文件中的索引不能唯一标识记录，往往同一索引指向若干记录指向若干记录q倒排文件德主要优点是：在处理多索引时，在辅索引倒排文件德主要优点是：在处理多索引时，在辅索引中先完成查询的中先完成查询

12、的“交交”、“并并”等逻辑运算，得到结等逻辑运算，得到结果后再对记录进行存取，以提高查找速度果后再对记录进行存取，以提高查找速度 例如 书目文件登录号：书名：作者名：分类号：出版单位：出版时间：价格：书目卡片记录数据项001高等数学樊映川S01002理论力学罗远祥L01003高等数学华罗庚S01004线性代数栾汝书S02书目文件按书名按作者名按分类号高等数学001，003理论力学002，.线性代数004，.樊映川001,华罗庚002,.栾汝书004,.L002,S001,003,索引表2. 2. 数据库与数据库管理系统数据库与数据库管理系统v2.1 2.1 数据库的概念数据库的概念v2.2 2

13、.2 数据库的主要特征数据库的主要特征v2.3 2.3 数据库的系统结构数据库的系统结构v2.4 2.4 数据库管理系统数据库管理系统v2.1 2.1 数据库的概念数据库的概念 数据的管理经历了从文件管理到数据库管理的过程数据的管理经历了从文件管理到数据库管理的过程 文件管理方式特点文件管理方式特点q由文件系统管理数据、数据共享性差、冗余度大、由文件系统管理数据、数据共享性差、冗余度大、数据独立性差、数据独立性差、不一致的可能性大、安全性问题不一致的可能性大、安全性问题 数据库方法能较好地解决以上的问题数据库方法能较好地解决以上的问题q数据的独立性、有效地访问数据、减少应用程序的数据的独立性、

14、有效地访问数据、减少应用程序的开发时间、数据的一致性和安全性、统一的数据管开发时间、数据的一致性和安全性、统一的数据管理、并发的数据访问理、并发的数据访问 数据库（数据库（DatabaseDatabase，简称，简称DBDB）是储存在计算机内的、是储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合有组织的、可共享的数据集合 数据库中的数据数据库中的数据按照一定的数据模型存储、组织和描按照一定的数据模型存储、组织和描述，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展述，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享性，并可为各种用户共享 数据库与文件系统的主要区别数据库与文件系统的主要区

15、别q数据独立于应用程序而集中管理数据独立于应用程序而集中管理实现数据共享、减少数据冗余、提高数据的效益实现数据共享、减少数据冗余、提高数据的效益q数据之间建立了联系数据之间建立了联系数据库中的数据能够放映现实世界中信息的联系数据库中的数据能够放映现实世界中信息的联系 GISGIS数据库与一般数据库的区别数据库与一般数据库的区别q空间数据和属性数据空间数据和属性数据q数据量大数据量大q数据具有非结构化的特点数据具有非结构化的特点q数据应用面广数据应用面广 要求要求GISGIS数据库遵循通用数据库的原理和方法，又要考数据库遵循通用数据库的原理和方法，又要考虑地理空间数据的特点，建立空间数据库虑地理

16、空间数据的特点，建立空间数据库v2.2 2.2 数据库的主要特征数据库的主要特征 与文件系统相比，数据库具有更强的数据库管理能力，与文件系统相比，数据库具有更强的数据库管理能力，体现在体现在q 数据集中控制：数据集中控制：集中控制和控制有关数据，以保证用户和应集中控制和控制有关数据，以保证用户和应用可以共享数据用可以共享数据q 数据冗余度小：数据冗余度小：通过数据库德有效设计可以消除冗余数据，通过数据库德有效设计可以消除冗余数据，但有时适当的冗余可以提高数据处理效率但有时适当的冗余可以提高数据处理效率q 数据独立：数据独立：数据库中，数据与应用程序是相互独立的；各自数据库中，数据与应用程序是相

17、互独立的；各自的改变不会影响对方的改变不会影响对方q 复杂的数据模型：复杂的数据模型：采用数据模型是数据库方法与文件方式的采用数据模型是数据库方法与文件方式的本质区别，复杂的数据模型是实现数据集中管理、减少数据本质区别，复杂的数据模型是实现数据集中管理、减少数据冗余的前提冗余的前提q 数据保护：数据保护：数据库系统为数据提供了保护措施，包括：安全数据库系统为数据提供了保护措施，包括：安全性控制（权限）、完整性控制（数据正确、有效、相容）、性控制（权限）、完整性控制（数据正确、有效、相容）、并发控制、故障的发现和恢复并发控制、故障的发现和恢复v2.3 2.3 数据库的系统结构数据库的系统结构 数

18、据库管理系统地主要功能是允许用户逻辑地、抽象数据库管理系统地主要功能是允许用户逻辑地、抽象地处理数据，而无需考虑这些数据在计算机中是如何地处理数据，而无需考虑这些数据在计算机中是如何组织存储的组织存储的 用户所看到的数据与计算机中存放的数据是两回事，用户所看到的数据与计算机中存放的数据是两回事，中间存在若干层的联系和转换，其目的是：方便用户、中间存在若干层的联系和转换，其目的是：方便用户、便于数据库的全局逻辑管理、为数据在物理存储器上便于数据库的全局逻辑管理、为数据在物理存储器上的组织提供方便的组织提供方便 数据库系统涉及到用户、系统管理员与分析员、系统数据库系统涉及到用户、系统管理员与分析员

19、、系统设计人员，他们所看到的数据库是：设计人员，他们所看到的数据库是：用户数据库、概用户数据库、概念数据库、物理数据库念数据库、物理数据库 数据库的基本结构是数据库的基本结构是三级模式结构三级模式结构q外模式（用户模式）、模式（概念模式）和内模式外模式（用户模式）、模式（概念模式）和内模式（存储模式）（存储模式） 存储模式（存储模式（Internal Schema）是数据物理结构和存储是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式 概念模式（概念模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用

20、户的公共数据视图；它是构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图；它是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、开发工存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、开发工具无关具无关 用户模式（用户模式（External Schema）是数据库用户能够看是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数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；用户模式是概念模式的子集；用户模式是保辑表示；用户模式

21、是概念模式的子集；用户模式是保证数据库安全性的一个有力措施证数据库安全性的一个有力措施数据库的系统结构v2.4 2.4 数据库管理系统数据库管理系统 数据库管理系统（数据库管理系统（Database Management System，简称简称DBMS）是处理数据库存取和各种管理控制的）是处理数据库存取和各种管理控制的软件，它位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，提供数据库的用户接口软件，提供数据库的用户接口 DBMS的目的：提供一个可以方便地、有效地存取的目的：提供一个可以方便地、有效地存取数据库信息的环境数据库信息的环境 1）数据库系统系统构

22、成）数据库系统系统构成q 包括：数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用包括：数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户系统、数据库管理员和用户数据库数据库最终用户最终用户应用系统应用系统应用开发工具应用开发工具DBMS操作系统操作系统数据库管理员数据库管理员DBADBA数据库系统构成数据库系统构成应用程序员应用程序员 2）DBMS的主要功能包括的主要功能包括q数据定义功能数据定义功能数据定义语言（数据定义语言（Data Definition Language，简称简称DDL）q数据操纵功能数据操纵功能数据操纵语言（数据操纵语言（Data Manipulation

23、 Language，简称，简称DML）q数据库的运行管理数据库的运行管理在系统运行过程中保障数据的安全性、完整在系统运行过程中保障数据的安全性、完整性、一致性，并发使用，故障恢复性、一致性，并发使用，故障恢复q数据库的建立和维护功能数据库的建立和维护功能 3）DBMS的组成的组成q数据、元数据数据、元数据关于数据的数据、建关于数据的数据、建立索引（立索引（INDEXINDEX）q存储管理程序存储管理程序文件管理程序、缓冲文件管理程序、缓冲区管理查程序区管理查程序q事务管理程序事务管理程序事务是用户定义的一事务是用户定义的一个数据库操作序列个数据库操作序列q查询处理程序查询处理程序查询优化查询优

24、化数据数据元数据元数据存储存储管理程序管理程序查询查询处理程序处理程序事务事务管理程序管理程序模式更新模式更新更新更新查询查询3. 3. 数据库模型数据库模型v3.1 3.1 传统数据模型传统数据模型v3.2 3.2 面向对象数据模型面向对象数据模型v3.1 3.1 传统数据模型传统数据模型 数据模型（数据模型（Data Model）是现实世界数据特征的是现实世界数据特征的抽象抽象,在数据库中使用数据模型来抽象、表示和在数据库中使用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息处理现实世界中的数据和信息 数据模型应满足的三个要求数据模型应满足的三个要求q能比较真实地模拟现实世界能比较真实地模

25、拟现实世界q容易为人所理解容易为人所理解q便于在计算机上实现便于在计算机上实现 数据模型分：数据模型分：概念模型、逻辑概念模型、逻辑模型模型 概念模型，概念模型，也称信息模型，从也称信息模型，从用户的观点用户的观点来对数据和来对数据和信息建模，强调其语义表达能力，是对现实世界的第信息建模，强调其语义表达能力，是对现实世界的第一层抽象，是用户和数据库设计人员之间进行交流的一层抽象，是用户和数据库设计人员之间进行交流的工具工具 逻辑模型，逻辑模型，按照按照计算机系统的观点计算机系统的观点对数据建模，用严对数据建模，用严格的形式化定义，便于在计算机系统中实现，主要用格的形式化定义，便于在计算机系统中

26、实现，主要用于于DBMS的实现；主要包括的实现；主要包括网状模型、层次模型和关网状模型、层次模型和关系模型系模型 1 1）概念模型）概念模型q概念模型是现实世界到信息世界的第一层抽象，是概念模型是现实世界到信息世界的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具，也是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言数据库设计人员和用户之间进行交流的语言q基本概念包括基本概念包括实体（实体（EntityEntity）、属性（）、属性（AttributeAttribute）、关键字，）、关键字，又称为码（又称为码（KeyKey）、域（）、域（DomainDo

27、main）、实体型）、实体型（Entity TypeEntity Type）、实体集（）、实体集（Entity SetEntity Set）、关）、关系（系（RelationshipRelationship）（）（1:11:1、1:n1:n、m:nm:n）q概念模型的表示方法概念模型的表示方法实体实体- -关系方法（关系方法（Entity-Relationship Entity-Relationship ApproachApproach，简称，简称E-RE-R图）图）成果数据成果数据管理单元管理单元元数据元数据成果数据文件成果数据文件历史数据历史数据管理单元管理单元历史数据文件历史数据文件历史

28、元数据历史元数据浏览数据浏览数据管理单元管理单元浏览元数据浏览元数据浏览数据文件浏览数据文件说明说明1 1管理单元管理单元基础信息基础信息管理单元基础信息管理单元基础信息属性属性关系关系实体实体图例1 1包含包含细分细分1 1M M包含包含M M1 1M M1 1迁移迁移1 11 1简化简化M M1 1迁移迁移1 11 1迁移迁移1 11 1简化简化1 11 1包含包含M M1 1包含包含1 1M M包含包含1 1M M包含包含M M1 1说明说明1 11 1说明说明1 11 1成果数据成果数据管理信息管理信息说明说明1 11 1历史数据历史数据管理信息管理信息说明说明1 11 11:5000

29、01:50000数据库系统E-R图 2 2）层次模型）层次模型q层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层层次模型是一种树结构模型，它将实体按其自然的次模型是一种树结构模型，它将实体按其自然的层层次关系次关系组织起来，以反映出数据之间隶属关系组织起来，以反映出数据之间隶属关系q在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为层次模型集合称为层次模型 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点为根结点 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点根以外的其他结点有且只

30、有一个双亲结点层次模型实例层次模型实例q层次模型优点：层次模型优点：是将数据组织成有向有序的树结构是将数据组织成有向有序的树结构反映了现实世界实体之间的层次关系反映了现实世界实体之间的层次关系层次分明，结构清晰，较容易实现，存储方法层次分明，结构清晰，较容易实现，存储方法简单简单且速且速度快，易于更新和扩充度快，易于更新和扩充q层次模型缺点：层次模型缺点：不能表示多对多的关系，难以顾及实体之间的拓扑关系不能表示多对多的关系，难以顾及实体之间的拓扑关系结构呆板结构呆板、没有灵活性，需要较大的索引文件，没有灵活性，需要较大的索引文件，导致数导致数据冗余据冗余不适合用于拓扑空间数据的组织不适合用于拓

31、扑空间数据的组织 3 3）网络模型）网络模型q在现实世界中事物之间的联系更多的是非层次关系在现实世界中事物之间的联系更多的是非层次关系的，用层次模型表示的，用层次模型表示非树形结构非树形结构是很不直接的，网是很不直接的，网状模型则可以克服这一弊病，它的典型状模型则可以克服这一弊病，它的典型代表是代表是 DBTG系统系统q在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为网络模型集合称为网络模型允许一个以上的结点无双亲允许一个以上的结点无双亲一个结点可以有多于一个的双亲一个结点可以有多于一个的双亲q将数据组织成将数据组织成有向图结构有向图结构，图中的

32、结点代表数据记，图中的结点代表数据记录，连线表示不同结点之间的关系录，连线表示不同结点之间的关系q其特征是：结点之间没有明确的从属关系，一个结其特征是：结点之间没有明确的从属关系，一个结点可与其他多个结点建立联系（是点可与其他多个结点建立联系（是多对多的关系多对多的关系）网络模型实例网络模型实例q网络模型网络模型优点：优点：可以是描述现实世界中极为常见的多对多关系，可以是描述现实世界中极为常见的多对多关系，能消除数据的冗余，能清楚地表示实体之间的拓能消除数据的冗余，能清楚地表示实体之间的拓扑关系扑关系q网络模型网络模型缺点：缺点：借助指针来维护实体之间复杂的拓扑关系，当借助指针来维护实体之间复

33、杂的拓扑关系，当数据发生变化时，指针的建立与维护会显得十分数据发生变化时，指针的建立与维护会显得十分困难困难结构的复杂性限制了它在空间数据库的使用结构的复杂性限制了它在空间数据库的使用 4 4）关系模型）关系模型q关系模型是目前最重要的一种数据模型关系模型是目前最重要的一种数据模型q关系模型与以往的模型不同，它是数据的逻辑结构关系模型与以往的模型不同，它是数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，是以一张二维表来归结为满足一定条件的二维表，是以一张二维表来表达它的逻辑结构的表达它的逻辑结构的q 在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二维在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表，

34、表具有固定的列数和任意行数，在数学上称为表，表具有固定的列数和任意行数，在数学上称为“关关系系”q 二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应于二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应于表中的一行，在关系中称为元组，相当于通常的一个记表中的一行，在关系中称为元组，相当于通常的一个记录；表中的列表示属性，称为域，相当于通常记录中的录；表中的列表示属性，称为域，相当于通常记录中的数据项（字段）数据项（字段）q 满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型 q 实体之间的联系不是指针表示，而是由数据本身通过公实体之间的联系不是指针表示，而

35、是由数据本身通过公共值隐含地表达它们之间的联系，并且可以用关系代数共值隐含地表达它们之间的联系，并且可以用关系代数和关系运算来操作数据。和关系运算来操作数据。q 可以使用可以使用SQLSQL语言对其进行操作语言对其进行操作关系模型实例关系模型实例q关系模型优点关系模型优点结构简单灵活结构简单灵活容易维护和理解（数据修改、更新方便）容易维护和理解（数据修改、更新方便）有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图形数据有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图形数据q关系模型缺点关系模型缺点效率不高效率不高难以表达目标，尤其是复杂目标难以表达目标，尤其是复杂目标5 5）三种常用的传统数据模型比较）三种常

36、用的传统数据模型比较v3.2 3.2 面向对象的数据模型面向对象的数据模型 面向对象（面向对象（Object-Oriented，OO）的概念和思想起源）的概念和思想起源于面向对象的编程语言于面向对象的编程语言 面向对象的定义面向对象的定义是指无论多么复杂的事物或现象都可是指无论多么复杂的事物或现象都可以由一个对象表示，这个对象是一个包含了数据集和以由一个对象表示，这个对象是一个包含了数据集和操作集的实体，也就是说面向对象的方法具有封装性操作集的实体，也就是说面向对象的方法具有封装性 面向对象方法中，面向对象方法中，对象和类对象和类是核心，同时面向对象方是核心，同时面向对象方法提供了法提供了分类

37、、概括、联合和聚集分类、概括、联合和聚集四种语义抽象技术四种语义抽象技术和和继承、转播继承、转播两种语义抽象工具两种语义抽象工具 1）对象（）对象（Object）q对象是指人们感兴趣的或要研究的事物中有着对象是指人们感兴趣的或要研究的事物中有着特殊属性及方法的实体，它有一组数据集（称特殊属性及方法的实体，它有一组数据集（称属性值）定义自己的状态，并有着自己的特殊属性值）定义自己的状态，并有着自己的特殊方法、操作（或函数）来改变自己的状态，因方法、操作（或函数）来改变自己的状态，因此对象是数据和行为的统一体此对象是数据和行为的统一体q对象可以由三原子来定义：对象可以由三原子来定义：Object=

38、（OID，S，M）其中其中OID是对象的惟一标识是对象的惟一标识M为方法集为方法集S为目标内部集为目标内部集 2）类（）类（Class）q类是对具有相同属性项和操作方法对象的一种抽象定类是对具有相同属性项和操作方法对象的一种抽象定义，可以表示为三元组义，可以表示为三元组Class=（CID，CS，CM）q对象是类的一个实例对象是类的一个实例，它们之间的关系是，它们之间的关系是is-instance-of关系，关系，q属于同一类的对象具有相同的属性项，但可以有不同属于同一类的对象具有相同的属性项，但可以有不同的属性值，以反映对象的个体特征的属性值，以反映对象的个体特征q类将属性和方法封装起来构成

39、不可分割的单位，内部类将属性和方法封装起来构成不可分割的单位，内部信息隐藏，并提供外部接口与外部发生联系，因此类信息隐藏，并提供外部接口与外部发生联系，因此类和对象都具有封装性和对象都具有封装性 3）分类、概括与继承）分类、概括与继承q把一组具有相同结构的实体进行归类的过程称为把一组具有相同结构的实体进行归类的过程称为分类分类（Classification）q在面向对象方法中，可以将不同类中某些具有相同的在面向对象方法中，可以将不同类中某些具有相同的属性和操作方法抽象出来，属性和操作方法抽象出来，概括（概括（Generalization）成一个更高层次的成一个更高层次的超类超类(Supercl

40、ass)，前者称作为子，前者称作为子类，后者称为父类类，后者称为父类q它们之间的关系是它们之间的关系是is-a的关系，并形成一个复杂的层的关系，并形成一个复杂的层次结构次结构q子类与父类之间具有子类与父类之间具有继承性继承性，既子类可以继承父类中，既子类可以继承父类中的属性和方法，而子类中的属性和方法可以进一步被的属性和方法，而子类中的属性和方法可以进一步被更下一级的子类所继承更下一级的子类所继承q继承可以是单个继承，也可以是多个继承继承可以是单个继承，也可以是多个继承人工交通线人工交通线自然交通线自然交通线交通线交通线水系水系河流河流池塘池塘高速公路高速公路运河运河可航行河流可航行河流不可航

41、行河流不可航行河流GISGIS中多个继承实例中多个继承实例 学校学校饭店饭店建筑物建筑物医院医院招待所招待所旅社旅社涉外宾馆涉外宾馆单个继承实例单个继承实例 4）联合（）联合（Association）q在面向对象的应用中，可以将属于在面向对象的应用中，可以将属于同一类的对象组同一类的对象组合合起来形成一个更高级的起来形成一个更高级的集合对象集合对象，这一抽象技术，这一抽象技术称为联合（称为联合（Association）q集合中的每个对象称为它的成员对象，成员对象和集合中的每个对象称为它的成员对象，成员对象和集合对象之间的关系表现为集合对象之间的关系表现为is-member-of的关系的关系q例

42、如，例如，一个农户有两块农田，使用同样的耕作方法，一个农户有两块农田，使用同样的耕作方法，种植同样的庄稼，其中这两块田的农田主、耕种方种植同样的庄稼，其中这两块田的农田主、耕种方法、庄稼三个属性是相同的，可以组合一个新的目法、庄稼三个属性是相同的，可以组合一个新的目标包含这三个属性标包含这三个属性 Object1 = (OID1,SA,SB,MA,MB); ); Object2 = (OID2,SA,SC,MA,MC) ) Object3 = (OID3,SA, MA , Object1, Object2);); Object1 = (OID1, SB,MB););Object2 = (OID

43、2,SC, MC) )q概括概括是对是对类类型进行抽象概括，型进行抽象概括，联合联合是是对目标对目标进行抽进行抽象联合象联合 5）聚集与传播）聚集与传播q把一组把一组不同类型的对象组合不同类型的对象组合起来形成一个更高级的起来形成一个更高级的复合对象复合对象，这一抽象技术称为聚集，这一抽象技术称为聚集（Aggregation），例如），例如 Object1 = (OID1,S1, M1); ); Object2 = (OID2,S2,M2) ) Object3 = (OID3,S3, MA ,Object1 (Su), Object2 (Sv), M3);); 其中：其中： Su S1, Sv

44、 S2q复合对象中的每个不同类型的对象称为它的组件对复合对象中的每个不同类型的对象称为它的组件对象，组件对象和复合对象之间的关系表现为象，组件对象和复合对象之间的关系表现为is-part-of的关系的关系q复合对象拥有自己的属性和操作方法，它可以从组复合对象拥有自己的属性和操作方法，它可以从组件对象中提取部分属性，但一般不继承组件对象的件对象中提取部分属性，但一般不继承组件对象的操作操作q集合对象与复合对象的共性是它们都是由一组实例集合对象与复合对象的共性是它们都是由一组实例对象（同类或不同类）组合而成的对象（同类或不同类）组合而成的复杂对象复杂对象q复杂对象的属性一部分来自复杂对象本身所属类

45、所复杂对象的属性一部分来自复杂对象本身所属类所定义，另一部分依赖于组成复杂对象的实例对象，定义，另一部分依赖于组成复杂对象的实例对象，这就是这就是传播的概念传播的概念q传播原理传播原理就是成员对象的相关属性只存储一次，并就是成员对象的相关属性只存储一次，并传给复杂对象，显然，当成员对象的属性值被修改传给复杂对象，显然，当成员对象的属性值被修改以后，无须对复杂对象的属性进行修改，因而可以以后，无须对复杂对象的属性进行修改，因而可以减少数据的冗余并保证数据的一致性减少数据的冗余并保证数据的一致性 空间对象 四边形 点元(X,Y,Z) 线段 三角形 四面体 规则几何体 面对象Surface 断面 数

46、字表面模型 数字立体模型 弧 结点 规则体元 规则格网 三棱柱 体对象Body 线对象 复杂对象 影象 点对象 属性 三维空间数据模型总体框架 体对象 空间对象 复杂对象 似三棱柱 面对象 点对象 结点Node (X,Y,Z) 线段Segment 三角形 侧面四边形 线对象 栅格 聚集 概括 关联 组成 UML表示的似三棱柱体概念模型v 通用的数据库模型和数据库管理系统并不能完全通用的数据库模型和数据库管理系统并不能完全适合空间数据库的组织于管理，需要采取一定措适合空间数据库的组织于管理，需要采取一定措施，或混合管理、或扩展关系数据库、或研制面施，或混合管理、或扩展关系数据库、或研制面向对象数

47、据库向对象数据库v4.1 4.1 空间数据的特征空间数据的特征v4.2 4.2 传统数据库管理空间数据的不足传统数据库管理空间数据的不足v4.3 4.3 文件与关系数据库混合管理文件与关系数据库混合管理v4.4 4.4 全关系型空间数据库管理系统全关系型空间数据库管理系统v4.5 4.5 对象关系数据库系统对象关系数据库系统v4.6 4.6 面向对象空间数据库管理系统面向对象空间数据库管理系统4. 4. 空间数据库管理系统空间数据库管理系统v4.1 4.1 空间数据的特征空间数据的特征1 1）空间分布特征）空间分布特征 每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特每个空间对象都具有空

48、间坐标，即空间对象隐含了空间分布特征，在空间数据组织方面，要考虑它的空间特征征，在空间数据组织方面，要考虑它的空间特征需要建立空需要建立空间索引间索引2 2）非结构化特征）非结构化特征 空间数据不满足结构化要，它的数据项可能是变长的空间数据不满足结构化要，它的数据项可能是变长的难以直难以直接采用关系数据库接采用关系数据库3 3）空间关系特征）空间关系特征 空间数据记录的拓扑信息表达了多种空间关系，空间数据记录的拓扑信息表达了多种空间关系，方便了空间数方便了空间数据的查询和空间分析，但是给空间数据的一致性和完整性维护据的查询和空间分析，但是给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性增加了复杂性4

49、 4）分类编码特征）分类编码特征 每一个空间对象都有一个分类编码，每一种地物的类型在某个每一个空间对象都有一个分类编码，每一种地物的类型在某个GISGIS中的属性项个数是相同的中的属性项个数是相同的; ;一种地物类型对应于一个属性一种地物类型对应于一个属性数据表文件数据表文件5 5）海量数据特征）海量数据特征 空间数据量是巨大的，空间数据量是巨大的，比一般的通用数据库要大得多比一般的通用数据库要大得多；一个城；一个城市地理信息系统的数据量可能达几十市地理信息系统的数据量可能达几十GBGB，如果考虑影像数据，如果考虑影像数据的存储，可能达几百个的存储，可能达几百个GBGB；需要在二维空间上划分块

50、或者图；需要在二维空间上划分块或者图幅，在垂直方向上划分层来进行组织幅，在垂直方向上划分层来进行组织v4.2 4.2 传统数据库管理空间数据的不足传统数据库管理空间数据的不足项目项目传统数据库传统数据库空间数据空间数据数据内容不连续的、相关性较小的数字或者字符型数据连续的、并且有很强的空间关系实体类型实体类型少，实体之间关系简单、固定实体类型繁多、实体间存在复杂的空间关系记录长度等长记录的数据变长记录，数据项多、且复杂操 作只操作和查询数字和字符信息需要进行大量的复杂空间数据操作和查询，如包含查询 GIS数据库数据库是某区域内关于一定空间实体特征的数据是某区域内关于一定空间实体特征的数据集合，

51、主要涉及对图形和属性数据的管理和组织集合，主要涉及对图形和属性数据的管理和组织 与一般数据库相比具有以下特点：与一般数据库相比具有以下特点：q GIS数据库不仅有与一般数据库数据性质相似的空间实体的数据库不仅有与一般数据库数据性质相似的空间实体的属性数据属性数据，还有大量的，还有大量的空间数据空间数据，即描述空间实体空间位，即描述空间实体空间位置分布和置分布和空间关系的数据空间关系的数据，并且这两种数据之间存在不可，并且这两种数据之间存在不可分割的关系分割的关系q 地理信息系统是复杂的空间数据库管理系统数据库中描述地理信息系统是复杂的空间数据库管理系统数据库中描述空间实体的数据量往往大得惊人，

52、为空间实体的数据量往往大得惊人，为海量数据海量数据，即使是一，即使是一个较小的区域的数据库也是如此个较小的区域的数据库也是如此q 数据数据形式多种多样，数据应用相当广泛形式多种多样，数据应用相当广泛；数据形式有图形；数据形式有图形数据、文本数据、图象数据、音频数据等，而数据则广泛数据、文本数据、图象数据、音频数据等，而数据则广泛应用于地理研究、环境保护，土地利用与规划，资源开发，应用于地理研究、环境保护，土地利用与规划，资源开发，市政管理、道路建设，等等市政管理、道路建设，等等v4.3 4.3 文件与关系数据库混合管理文件与关系数据库混合管理 是传统的GIS数据库管理模式 采用文件系统管理图形

53、数据、采用关系数据库管理属性数据，并采用对象标识(oid)或内部连接码进行联系 有两种模式q(1) 界面分开t 图形处理界面和属性的用户界面分开，通过内部码连接t 原因是数据库系统不提供与高级语言(C，Fortran)的接口，只能采取数据库操纵语言t 要同时启动两个系统，进行系统之间的切换，使用不方便OID 图形数据 属性数据q(2) 界面统一t 利用数据库系统提供的与高级语言(C，Fortran)的接口，如SQL语句(通过C语言)、ODBC(开放性数据库连接协议)，使得GIS在C环境下可以操纵数据库t 这种模式称为混合处理模式t 用户只需要开发GIS与ODBC的接口软件，就可以将属性数据与任

54、何一种支持ODBC协议的关系数据库管理系统连接t 不需要启动一个完整的数据库管理系统t 图形和属性数据的查询与维护完全在一个界面下 这种管理模式有: Arc/INFO、MapInfo、MicroStation 特点：q 两者独立组织、管理与检索，采用连接码或对象标识进行连接q 由于空间数据和属性数据分开存储，在表现地理空间数据方面缺乏完整的表达语义和存储机制q 难于保证数据存储、操作的统一q 系统切换、使用不方便q 在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本功能v4.4 4.4 全关系型空间数据库管理系统全关系型空间数据库管理系统 全关系型空间数据库管理系统传统是

55、指图形数据和属性数据都采用现有的关系数据管理系统管理 关系数据库不作任何扩展，由GIS软件商在此基础上进行开发，以便能够管理图形和属性数据,有两种模式：q (1)基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模型来组织，要分解成多个关系表，查找是涉及到多个关系表，作多次连接投影运算，因而在处理空间目标示效率不高，例如Select X,YFrom P,E,N,C /P多边形,E多边形-边,N边-结点,C结点坐标Where P.P#=E.P# and E.E#=N.E# and ( N.BN=C.N# and N.EN = C.N#)q (2)将图形数据的变长部分处理成Binary二进制块BLOCK字段，

56、省去了大量的关系表的连接操作，但读写速度慢，尤其是涉及对象嵌套时速度更慢v4.5 4.5 对象对象- -关系数据库系统关系数据库系统 对传统的关系数据库进行扩展，使之能够直接存储和管理非结构化的空间数据 如Oracle，Ingress，Informix都推出了空间数据管理专用模块，定义了操作点、线、面等空间对象的API函数 特点：q 对空间对象的数据结构进行预先的定义，用户不能再定义，使用受到限制q 对象之间一般不能带有拓扑关系，因此具有拓扑数据结构的数据不能采用对象-关系数据据库进行管理q 解决了空间数据的变长记录管理问题，效率明显比采用二进制块的方式高，但它还没有解决对象嵌套的问题 是目前

57、GIS空间数据管理的主流v4.6 4.6 面向对象的空间数据管理系统面向对象的空间数据管理系统 理论上讲：理论上讲：面向对象的数据模型，支持变长记录、支面向对象的数据模型，支持变长记录、支持对象嵌套、信息的继承与聚集；允许用户定义对象持对象嵌套、信息的继承与聚集；允许用户定义对象和对象的数据结构以及它的操作；数据结构可以是具和对象的数据结构以及它的操作；数据结构可以是具有拓扑关系的有拓扑关系的 实际上：实际上：面向对象的数据库关系系统还不够成熟，价面向对象的数据库关系系统还不够成熟，价格昂贵，在格昂贵，在GIS领域还不够通用；目前推出的面向对领域还不够通用；目前推出的面向对象数据库管理系统有象

58、数据库管理系统有O2,Jasmine等等5. 5. 空间数据的组织空间数据的组织1)1)图幅内空间数据管理图幅内空间数据管理q工程区工程区q工作层工作层q逻辑层逻辑层q地物类地物类工工 作作 区区行政边界行政边界道道 路路水水 系系居民地居民地土地覆盖土地覆盖土土 壤壤2)2)图库管理图库管理q图库管理就是工程管理图库管理就是工程管理, ,一般是建立图幅索引一般是建立图幅索引, ,建立建立二维空间索引二维空间索引 1200013000W W43431400014000 1300013000 1200012000 1100011000 1000010000 W W4141 W W4242W W4

59、444W W4545 W W3131 W W3232W W3333W W3434 W W3535 W W2121W W2222W W2323 W W2424 W W2525 W W1111 W W1212W W1313W W1414W W1515 11000 12000 13000 14000 15000 11000 12000 13000 14000 15000 100001300014000工程管理工程管理建立工作区（图幅）索引建立工作区（图幅）索引空间数据库管理系统空间数据库管理系统地理空间信息在线运行数据库地理空间信息在线运行数据库DRG-MD图幅图幅2图幅图幅1DEMDOMDLG境界境界其他要素其他要素水系水系道路道路居民地居民地等高线等高线TDMD分块分块2分块分块1专题层专题层2专题层专