CH5空间数据管理ppt课件

1、第五章第五章 空间数据管理空间数据管理主要内容5.1 5.1 概述概述v一、数据与数据文件 数据项数据项记记 录录 文文 件件 数据库数据库数据库中的数据组织数据库中的数据组织按逻辑单位分级按逻辑单位分级按物理单位分级按物理单位分级数据组织层次数据组织层次比特、字节、字、比特、字节、字、块、桶和卷块、桶和卷5.1 5.1 概述概述v 二、数据间的逻辑联系二、数据间的逻辑联系v 数据间的逻辑联系主要指记录之间的联系。数据间的逻辑联系主要指记录之间的联系。v 一对一的联系一对一的联系1:1）v 一对多的联系一对多的联系(1：N)v 多对多的联系多对多的联系(M：N)A BABA BABA BAB1

2、:1(1：N)(M：N)5.1 5.1 概述概述v三、常用数据文件v顺序文件：对记录按主关键字的顺序进行组织。v索引文件：除了存储记录本身主文件以外，还建立若干索引表。v直接文件：也称随机文件，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，然后把记录存储在该位置上。v倒排文件：带有辅索引的文件。5.2 DB5.2 DB与与DBMSDBMSv一、数据库Data Base，DB）v概念：是为一定目的服务，以特定的结构存储的相关的数据集合。v特点：数据集中控制、冗余度小、数据独立、复杂的数据模型、数据保护。5.2 DB5.2 DB与与DBMSDBMS数据库最内的一层；是物数据库最内的一层

3、；是物理设备上实际存储的数据理设备上实际存储的数据集合；由物理模式描述。集合；由物理模式描述。用户所使用的数据库，用户所使用的数据库，是一个或几个特定用户是一个或几个特定用户所使用的数据集合，是所使用的数据集合，是概念模型的逻辑子集；概念模型的逻辑子集；用外模式定义。用外模式定义。数据库的逻辑表示，数据库的逻辑表示，包括每个数据的逻辑包括每个数据的逻辑定义以及数据间的逻定义以及数据间的逻辑联系；由概念模式辑联系；由概念模式定义。定义。物理级物理级用户级用户级概念级概念级5.2 DB5.2 DB与与DBMSDBMS5.3 5.3 数据库模型数据库模型v数据模型：v 描述数据内容和数据之间联系的工

4、具，是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。v传统数据模型：v 层次模型、网络模型、关系模型v面向对象模型：5.3 5.3 数据库模型数据库模型5.3 5.3 数据库模型数据库模型（2网络模型：网络模型：将数据组织成有向图结构，结点代表数据记录，连线描述不同结点将数据组织成有向图结构，结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。数据间的关系。优点：在一定程度上支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共优点：在一定程度上支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。享特性，且运行效率较高。5.3 5.3 数据库模型数据库模型5.3 5.3 数据库模型数据库模型层次模型层次模型关系

5、模型关系模型网状模型网状模型局限性：局限性：很难描绘复杂地理实体之间的联系；很难描绘复杂地理实体之间的联系；查询必须从层次结构的根结点开始，很难查询必须从层次结构的根结点开始，很难进行反向查询；进行反向查询；数据独立性较差；数据独立性较差；命令具有过程式性质；命令具有过程式性质；基本不具备演绎功能和操作代数基础。基本不具备演绎功能和操作代数基础。局限性：局限性：无法用递归和嵌套方式描述复杂无法用递归和嵌套方式描述复杂关系的层次和网状结构，模拟关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象能力较弱；和操作复杂地理对象能力较弱；描述具有复杂结构和涵义的地理描述具有复杂结构和涵义的地理对象时，语义不堪

6、合理；对象时，语义不堪合理；运行效率不够高。运行效率不够高。局限性：局限性：查询定位困难；查询定位困难；命令具有过程式性质；命令具有过程式性质；不直接支持对于层次结构的表不直接支持对于层次结构的表达；达；基本不具备演绎功能和操作代基本不具备演绎功能和操作代数基础。数基础。5.3 5.3 数据库模型数据库模型5.3 5.3 数据库模型数据库模型v 类：类：v 共享同一属性和方法集的所有对象的集合。（如河流均具有共性，如共享同一属性和方法集的所有对象的集合。（如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长

7、度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。）求流域面积等，因而可抽象为河流类。）v 实例：实例：v 被抽象的对象，类的一个具体对象。如长江、黄河等。（真正抽象被抽象的对象，类的一个具体对象。如长江、黄河等。（真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。）的河流不存在，只存在河流的例子。）v 类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。类关系为上下层关系。类-申请实例申请实例-成为具体对象。成为具体对象。v 方法：方法：v 对一个类定义的所有操作。对一个类定义的所有操作。v 消息：消息：v 对象之间的请求和协作。（

8、并不独立存在对象之间的关系，如点某对象之间的请求和协作。（并不独立存在对象之间的关系，如点某按纽，就是对按纽提出请求。按纽，就是对按纽提出请求。5.3 5.3 数据库模型数据库模型是对现实世界的简明表是对现实世界的简明表示。形成对象的关键是示。形成对象的关键是抽象，对象是抽象思维抽象，对象是抽象思维的结果。的结果。是指同一消息被不是指同一消息被不同对象接收时，可解同对象接收时，可解释为不同的含义。同释为不同的含义。同一消息，对不同对象，一消息，对不同对象，功能不同。功能不同。将方法与数据放于一将方法与数据放于一对象中，以使对数据对象中，以使对数据的操作只可通过该对的操作只可通过该对象本身的方法

9、来进行象本身的方法来进行指把对象的状态及指把对象的状态及其操作集成化，使之其操作集成化，使之不受外界影响）。不受外界影响）。笼统笼统多态多态封装封装5.3 5.3 数据库模型数据库模型分类是把一组具有相同属性分类是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。或映射为一个公共类的过程。（instance-ofinstance-of）分类分类概括概括结合结合聚集聚集将相同特征和操作的类再抽将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。般性的超类的过程。(is-a)(is-a)聚集是把几个不同性质类聚集是把几

10、个不同性质类的对象组合成一个更高级的的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。复合对象的过程。(parts-(parts-of)of)相似对象抽象组合为集合相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的对象。其操作是成员对象的操作集合。操作集合。member-of) member-of) 5.3 5.3 数据库模型数据库模型传播传播 是作用于联合和聚集的工具，是作用于联合和聚集的工具，它通过一种强制手段将子目标的它通过一种强制手段将子目标的属性信息传播给复杂对象。成员属性信息传播给复杂对象。成员对象的属性只存储一次，保证数对象的属性只存储一次，保证数据一致性和减少冗余。如桂林市据一致性和减少冗余

11、。如桂林市总人口，由存储在各成员对象中总人口，由存储在各成员对象中的各区人口总和。的各区人口总和。 一类对象可继承另一类对一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承象的特性和能力，子类继承父类的共性，它服务于概括父类的共性，它服务于概括, ,分为单重继承和多重继承。分为单重继承和多重继承。继承机制减少代码冗余，减继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。少相互间的接口和界面。继承继承5.3 5.3 数据库模型数据库模型可充分利用现有数据模型的特点可充分利用现有数据模型的特点123具有可扩充性具有可扩充性可以模拟和操纵复杂对象可以模拟和操纵复杂对象5.4 5.4 空间数据库管理系统空间数

12、据库管理系统一、基本概念一、基本概念（1 1空间数据库：空间数据库： 指指GISGIS在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理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。空间数据的总和。（2 2空间数据特征空间数据特征: : 1 1空间特征：一般需要建立空间索引。空间特征：一般需要建立空间索引。 2 2非结构化特征：结构化的，即满足第一范式非结构化特征：结构化的，即满足第一范式: :每条记录每条记录定长，且数据项是原子数据定长，且数据项是原子数据. .而空间数据数据项为变长，而空间数据数据项为变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。

13、 3 3空间关系特征：拓扑数据给空间数据的一致性和完整空间关系特征：拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。性维护增加了复杂性。 4 4分类编码特征：一种地物类型对应一个属性数据表文分类编码特征：一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。 5 5海量数据特征。海量数据特征。5.4 5.4 空间数据库管理系统空间数据库管理系统v空间数据库特点：空间数据库特点： v 1 1数据量特别大；数据量特别大；v 2 2数据种类多，复杂；数据种类多，复杂；v 3 3数据应用面相当广。数据应用面相当广。v空间数据库管理系统：空间

14、数据库管理系统：v 1 1是指能够对物理介质上存储的地理空是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义；间数据进行语义和逻辑上的定义；v 2 2提供必须的空间数据查询、检索和存提供必须的空间数据查询、检索和存取功能；取功能；v 3 3能够对空间数据进行有效的维护和更能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。新的一套软件系统。5.4 5.4 空间数据库管理系统空间数据库管理系统v 二、传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/相关性不连续相关性小连续较强空间相关性实体类型/空间关系少简单固定多复杂且不固定记录长度结构化等长非结构化不等长查询与操作文字、数

15、字文字数字空间图形5.45.4空间数据库管理系统空间数据库管理系统v 三、现行空间数据库管理方案三、现行空间数据库管理方案文件与关文件与关系式系式对象对象关关系式系式关系式数关系式数据库据库5.4 5.4 空间数据库管理系统空间数据库管理系统（1文件与关系式混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。早期代表性GIS：ArcInfo的Coverage文件管理近年代表性GIS：ArcInfo，ArcView的Shape File文件管理， MapInfo的Tab文件几何数据属性数据ID数据

16、文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发CoverageCoverage5.4 5.4 空间数据库管理系统空间数据库管理系统（2全关系式数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属性间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作代表性GIS：ArcInfo的GeoDatabase(Spatial D

17、atabase Engine,SDE)GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间数据库关系表二进制块5.4 5.4 空间数据库管理系统空间数据库管理系统（3对象关系数据库管理方案对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储代表性系统：Oracle SpatialGIS界面空间数据处理DBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）GeodatabaseFeature DatasetFeature class5.5 5.5 空间数据组织空

18、间数据组织一、图幅内空间数据的组织一、图幅内空间数据的组织工作区：研究区图幅的范围工作区：研究区图幅的范围 工作层：空间数据处理的一个工作单元工作层：空间数据处理的一个工作单元 逻辑层：逻辑层可以包含任意多个地类逻辑层：逻辑层可以包含任意多个地类 地物类：类型相同的地物地物类：类型相同的地物GIS工程工作区工作层地物类逻辑层属性数据5.5 5.5 空间数据组织空间数据组织v二、属性数据的组织二、属性数据的组织v一般由关系数据库管一般由关系数据库管理系统理系统DBMS管管理，但文件组织方式理，但文件组织方式随随GIS软件而异。软件而异。5.6 5.6 空间索引空间索引v 空间索引机制是实现空间数

19、据快速查询检索的重要手段，空间索引机制是实现空间数据快速查询检索的重要手段，也是海量空间数据管理所必须的。空间索引是一个层次也是海量空间数据管理所必须的。空间索引是一个层次结构结构 。工 程工作区 1工作区 2工作区 n工作区索引工作层1工作层 2工作层 n地物空间索引地物层空间索引的层次结构空间索引的层次结构 5.6 5.6 空间索引空间索引v 一、工作区索引v 对于海量数据来讲，由于图层的范围过大，不便于数据操作，因此还需要分成若干个工作区。并建立一个工程和它包含的工作区之间的空间索引。v 通过一个记录每个工作区的范围的空间坐标的空间索引文件，就可以建立工程与工作区的关系。建立了这样的索引

20、文件后，用户可以在工程管理界面下，开窗任意进入某一个、或几个工作区。 w11w12w18w21w51w58 工作区索引工作区索引 5.6 5.6 空间索引空间索引v二、目标索引v工作区索引可以看成是最粗一级的空间索引。在图形操作中，对无缝图层来讲，一般在一个工作区的空间数据的数据量较大，为了实现快速的查询，还需要建立地物与用于屏幕操作的鼠标的屏幕坐标之间的索引。v常用方法：v对象范围索引v格网索引v四叉树索引vR树和R+树索引5.6 5.6 空间索引空间索引（1对象范围索引IDXmaxXminYmaxYmin1234YmaxYminXminXmax空间对象集合123456检索窗口XNYWYEX

21、SXmaxXN OR XminXS OR YmaxYE OR YminYW空间对象不被检索XEXmax，XminXN ANDYWYmax，YminYE空间对象被检索5.6 5.6 空间索引空间索引（2格网索引将工作区按一定的规则划分成格网记录每个格网内所包含的空间对象将格网按Morton码进行编码5.6 5.6 空间索引空间索引（3四叉树索引线性四叉树 采用Morton码编码Peano键） 根据空间对象覆盖范围，进行四叉树分割 建立Peano键与空间目标的索引关系 5E 7 13 G15 B 4 F 6 12 14 1 A 3 D 0 2 8 C Peano 键集边长空间对象001481542

22、1121EDAFCB，G5.6 5.6 空间索引空间索引q 层次四叉树q 记录中间节点和父节点到子节点的指针q 若某个记录覆盖了哪一个中间节点，还要记录该空间对象的标识层层1边长边长4层层2边长边长2层层3边长边长10 E13 GB 4 F1 A12 8 C4 0 D5.6 5.6 空间索引空间索引（4） R树索引设计一些虚拟的矩形目标，将一些空间位置相近的目标，包含在这个矩形内，虚拟的矩形作为空间索引，含有包含空间对象的指针。AF GDE CMNLBKJHIA B C L M N H I J KD E F G5.6 5.6 空间索引空间索引（5） R+树索引允许虚拟矩形相互重叠，并允许一个空

23、间目标被多个虚拟矩形所包含。FAB GD1 D2CEF G C E D2 A B D15.6 5.6 空间数据库设计空间数据库设计v空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的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。基础上建立空间数据库的整个过程。5.6 5.6 空间数据库设计空间数据库设计v一、需求分析一、需求分析v需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，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：主要进行以下工作：v调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计调查用户需求：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。者与用户对需求的

24、一致看法。v需求数据的收集和分析：包括信息需求需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、信息内容、特征、需要存储的数据特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求、信息加工处理要求(如如响应时间响应时间)、完整性与安全性要求等。、完整性与安全性要求等。v编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任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。等，是需求分析的最终成果。5.6 5.6 空间数据库设计空间数据库设计v二、结构设计二、结构设计v指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空指空间数据结

25、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。间数据模型，是空间数据库设计的关键。v空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定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。就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。现实世界现实世界地理实体地理实体逻辑模型逻辑模型物理模型物理模型概念模型概念模型需求分析需求分析结构设计结构设计5.6 5.6 空间数据库设计空间数据库设计物理模型物理模型逻辑模型逻辑模型概念模型概念模型是通过对错综复杂是通过对错综复杂的现实世界的

26、认识与的现实世界的认识与抽象，最终形成空间抽象，最终形成空间数据库系统及其应用数据库系统及其应用系统所需的模型。系统所需的模型。逻辑模型的设计是将概逻辑模型的设计是将概念模型结构转换转换为具念模型结构转换转换为具体体DBMSDBMS可处理的地理数据可处理的地理数据库的逻辑结构库的逻辑结构( (或外模式或外模式) )，包括确定数据项、记录及包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。完整性和一致性约束等。是指有效地将空间数据是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其质上的物理存储结构，其结果是导出地理数据库的结果是导出地理数据库的存储模式存储模式( (内模式内模式) )。 主要内容包括确定记录主要内容包括确定记录存储格式