第五章空间数据库课件

第五章空间数据库

第一节数据库概述7/25/20231

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。空间数据库的理论与方法是GIS的核心。GIS的数据是海量的，且数据之间存在复杂的空间关系。因此，如何组织GIS数据库是GIS的一个核心问题。数据库组织的好坏直接影响到GIS的效率，GIS数据库管理的优劣取决于GIS数据库的组织。7/25/20232数据库定义定义：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、管理和应用的相关联的数据集合。数据库是以一定的组织方式存储在一起相互关联的数据集合。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

7/25/20233数据库的主要特征1数据集中控制特征2数据冗余度小的特征3数据独立性特征4复杂的数据模型5数据保护特征7/25/20234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。7/25/202353、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。

7/25/20236数据间的逻辑联系

数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。1、一对一的联系(1：1)2、一对多的联系(1：N)3、多对多的联系(M：N)

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BAB7/25/20237第二节传统数据库系统的数据模型

数据模型又称数据库结构，是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。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。

7/25/20238层次模型层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系。在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合为层次模型。(1)有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点。(2)根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。7/25/20239层次数据库模型

7/25/202310层次模型是一种树结构模型，它将数据按其自然的层次关系组织起来，以反映出数据之间隶属关系。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。特点是数据组织成有向有序的树结构，也叫树形结构。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）。由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点的称为根结点；其余结点有且仅有一个双亲结点。7/25/202311层次数据库模型优点：存取方便且速度快结构清晰，容易理解数据修改和数据库扩展容易实现检索关键属性十分方便缺陷：结构呆板，缺乏灵活性同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）不适合于拓扑空间数据的组织7/25/202312网状模型在现实世界中事物之间的联系更多的是非层次关系的，用层次模型表示非树形结构是很不直接的，网状模型则可以克服这一弊病。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状模型：（1）允许一个以上的结点无双亲；（2）一个结点可以有多于一个的双亲。7/25/202313将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线表示不同结点之间的关系。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（可以是多对多的关系）。7/25/202314网络数据库模型网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。系名化学系教师数学生数研究生系名地质系教师数49学生数257研究生71学校名称西北大学系名城资系教师数52学生数300研究生70系名教师数学生数研究生系名教师数学生数学号002312姓名张三年级3籍贯广东系名教师数学生数研究生系名教师数学生数教师号66姓名谢元礼年龄30职称教授系名教师数学生数研究生系名教师数学生数课程号A01课程名GIS周学时4学分5系名教师数系名学号002312课程号A017/25/202315网络模型实例7/25/202316网络数据库模型优点：能明确而方便地表示数据间的复杂关系数据冗余小缺陷：网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大数据的修改不方便（指针必须修改）7/25/202317地理信息系统原理东华理工学院徐云和层次模型与网络模型相比较网络模型实例E图1图27/25/202318关系模型关系模型是目前最重要的一种数据模型。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，是以一张张二维表来表达它的逻辑结构的。7/25/202319在关系模型中，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”。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）。满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。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。7/25/202320关系数据库模型7/25/202321关系数据库模型优点：结构简单灵活；容易维护和理解；数据修改方便数据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；缺点：效率不高；难以表达目标，尤其是复杂目标。7/25/202322第三节GIS空间数据库模型GIS数据库：是某一区域关于地理要素特征的数据集合。7/25/202323空间数据库特征

数据量特别大（海量数据）：地里系统是一个复杂的综合体，如用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往大的惊人。空间数据量是巨大的，通常称海量数据。之所以称为海量数据，是指它的数据量比一般的通用数据库要大得多。一个城市地理信息系统的数据量可能达几十GB，如果考虑影像数据的存储，可能达几百个GB。这样的数据量在城市管理的其他数据库中是很少见的。正因为空间数据量大，所以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。7/25/202324

既描述地理要素空间数据，同时描述地理要素属性数据，而且管理的数据比较复杂。数据应用面相当广泛。7/25/202325传统数据库管理空间数据的局限性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在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作不能支持复杂的图形功能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7/25/202326文件关系数据库混合管理模型（混合数据库模型）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，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。GIS软件图形处理DBMS图形文件库属性数据库标识码7/25/202327全关系数据库管理（扩展结构模型）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GIS软件：System9，SmallWorld、Geovision等7/25/202328开放式结构模型在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。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GIS软件：TIGER，Geo++、GeoTropics等GIS界面空间属性数据处理商用RDBMS空间数据管理专用模块空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）7/25/202329面向对象数据库系统

面向对象（object-oriented，oo）的概念起源于程序设计语言——面向对象的编程语言(简称OOPL)，强调对象概念的统—，引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。基本出发点就是以对象作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。7/25/202330对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操作组合而成。类：是对多个相似对象共同特性的描述。消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。实例：是由一特定类描述的具体对象。元类：是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类的实例是对象。对象具有封装性和继承性，涉及到分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联合（association）、继承（inheritance）和传播（propagation）等概念。基本概念

7/25/202331基本概念协议：是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可以为外界。封装：是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实际内容。继承：从某类对象得到另一类对象的特征和能力。如饭店子类从建筑物类继承地址、建筑日期等属性。引入类的继承，就出现了类的层次结构，也就有了超类（基类）、子类（派生类）的概念。7/25/202332基本概念概括：是把一组具有相同特征和操作的对象归纳在一个更一般的超类中。联合：是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集合对象。如西安市是新城区、雁塔区、碑林区等区的联合。又联合关系的对象叫成员。聚集：是类似于联合的抽象化概念，不强调整个对象的具体细节，例如建筑物是墙、窗、门、房顶和楼板几部分的聚集。传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。例如西安市大学生数量可以由各个大学的学生数求和派生得到。7/25/202333面向对象的几何抽象类型

GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。7/25/202334面向对象的属性数据模型

GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。如一个大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。

7/25/202335面向对象数据库系统的实现方式

面向对象的数据模型从概念上将人们对GIS的理解提高到了一个新的高度。一方面，它巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。另一方面，面向对象数据模型在表达和处理属性数据时，又具有许多独特的优越性。目前，采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三种实现方式：扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS

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