第5講 空間數(shù)據(jù)管理

第五講空間數(shù)據(jù)管理1主要內(nèi)容

數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫模型空間數(shù)據(jù)庫設計空間數(shù)據(jù)庫建立與維護2§5.1數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)文件一、數(shù)據(jù)組織的分級數(shù)據(jù)組織的層次

按邏輯單位分級：數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。

按物理單位分級：比特、字節(jié)、字、塊、桶和卷。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織

數(shù)據(jù)項：定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫基本項、字段等；有一定的取值范圍，即域；可以是數(shù)值、字母、字母數(shù)字、漢字等形式。

記錄：由若干相關聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成，是處理和存儲信息的基本單位；有“型”和“值”的區(qū)別；每個記錄有唯一的標識符（關鍵字）。

3

文件：是一給定類型的（邏輯）記錄的全部具體值的集合；用文件名標識；根據(jù)組織和存取方法分為順序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。

數(shù)據(jù)庫：具有特定聯(lián)系的數(shù)據(jù)的集合（多種類型的記錄集合）；是具有某種聯(lián)系的文件集合。（例如，一個GIS工程可能含有幾千幅圖，每幅圖可能有點、線、面多種數(shù)據(jù)文件和多種屬性表，因而一個GIS工程可作為一個空間數(shù)據(jù)庫，但他們可能涉及成千上萬個文件。）4二、數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要指記錄之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系一對一的聯(lián)系（1:1）：在集合A中存在一個元素ai，則在集合B中有且僅有一個bj與之聯(lián)系。

一對多的聯(lián)系(1：N)：在集合A中存在一個ai,則在集合B中存在一個子集B′＝(bj1，bj2…bjn)與之聯(lián)系。5

多對多的聯(lián)系(M：N)：對于集合A中的一個元素ai。在集合B就存在一個子集B′＝(bj1，bj2…bjn)與之相聯(lián)系。反過來，對于B集合中的一個元素Bj在集合A中就有一個集合A′＝(ai1,ai2,ai3…ain)與之相聯(lián)系。6三、常用數(shù)據(jù)文件文件的組織方式主要有：順序文件：對記錄按主關鍵字的順序進行組織。索引文件：除了存儲記錄本身（主文件）以外，還建立若干索引表。直接文件：也稱隨機文件，根據(jù)記錄關鍵字的值，通過某種轉(zhuǎn)換方法得到一個物理存儲位置，然后把記錄存儲在該位置上。倒排文件：帶有輔索引的文件。7§5.2數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)庫的概念概念：是為一定目的服務，以特定的結(jié)構存儲的相關的數(shù)據(jù)集合。特點：數(shù)據(jù)集中控制數(shù)據(jù)冗余度小數(shù)據(jù)獨立復雜的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)保護：安全性控制、完整性控制、并發(fā)控制、故障的發(fā)現(xiàn)和恢復8二、數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構基本結(jié)構

物理級：數(shù)據(jù)庫最內(nèi)的一層；是物理設備上實際存儲的數(shù)據(jù)集合；由物理模式描述。

概念級：數(shù)據(jù)庫的邏輯表示，包括每個數(shù)據(jù)的邏輯定義以及數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系；由概念模式定義。用戶級：用戶所使用的數(shù)據(jù)庫，是一個或幾個特定用戶所使用的數(shù)據(jù)集合，是概念模型的邏輯子集；用外模式定義。910三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS：是處理數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件；是DB的中心樞紐，與各部分有密切聯(lián)系。DBMS的功能：數(shù)據(jù)庫定義、管理、維護、通訊DBMS的組成：語言處理程序、系統(tǒng)運行控制程序、建立和維護程序DBA：掌握數(shù)據(jù)庫全面情況并作為數(shù)據(jù)庫設計和管理骨干的人；主要功能是建立和維護數(shù)據(jù)。11四、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫：指GIS在計算機物理存儲介質(zhì)上存儲的與應用相關的地理空間數(shù)據(jù)的總和?？臻g數(shù)據(jù)特征:1）空間特征：一般需要建立空間索引。

2）非結(jié)構化特征：結(jié)構化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項是原子數(shù)據(jù);而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。

3）空間關系特征：拓撲數(shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護增加了復雜性。

4）分類編碼特征：一種地物類型對應一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文件。

5）海量數(shù)據(jù)特征。12空間數(shù)據(jù)庫特點：

1）數(shù)據(jù)量特別大；

2）數(shù)據(jù)種類多，復雜；

3）數(shù)據(jù)應用面相當廣?？臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：

1）是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義；

2）提供必須的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和存取功能；

3）能夠空間數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件系統(tǒng)。13§5.3數(shù)據(jù)庫模型數(shù)據(jù)模型：描述數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的工具，是衡量數(shù)據(jù)庫能力強弱的主要標志之一。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型：層次模型、網(wǎng)絡模型、關系模型面向?qū)ο竽Ｐ停?4一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型層次模型以記錄類型為結(jié)點的有向樹。

原始地圖E

層次模型15

網(wǎng)絡模型

將數(shù)據(jù)組織成有向圖結(jié)構，結(jié)點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述不同結(jié)點數(shù)據(jù)間的關系。

網(wǎng)絡模型

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關系模型將數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構歸結(jié)為滿足一定條件的二維表，亦稱關系。表的行叫元組，相當于一個記錄，表的列叫屬性。所有的元組都是同質(zhì)的，即有相同的屬性項。多邊形關系邊界－結(jié)點關系邊界關系17傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的比較18二、面向?qū)ο竽Ｐ?、對象：含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。（如一個城市、一棵樹均可作為地理對象。）具有一個唯一的標識，以表明其存在的獨立性；具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)——靜態(tài)屬性—數(shù)據(jù)；

具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。--作用、功能—函數(shù)、方法。

地理對象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法

基本概念19

2、類：共享同一屬性和方法集的所有對象的集合。如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。3、實例：被抽象的對象，類的一個具體對象。如長江、黃河等。（真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。）類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層關系。類---申請實例---成為具體對象。4、消息：對象之間的請求和協(xié)作。（并不獨立存在）對象之間的關系，如點某按紐，就是對按紐提出請求。類實例1實例2對象1對象2請求和協(xié)作消息20

面向?qū)ο蟮奶匦?、抽象：是對現(xiàn)實世界的簡明表示。形成對象的關鍵是抽象，對象是抽象思維的結(jié)果。2、封裝：將方法與數(shù)據(jù)放于一對象中，以使對數(shù)據(jù)的操作只可通過該對象本身的方法來進行（指把對象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響）。3、多態(tài)：是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。同一消息，對不同對象，功能不同?，F(xiàn)實世界抽象對象1對象n對象2圖元類CLineCCircledraw()draw(p1,r)draw(p1,p2)LineCircle21

四種核心技術1、分類：分類是把一組具有相同屬性結(jié)構和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程。（instance-of）2、概括：將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的超類的過程。(is-a)3、聚集：聚集是把幾個不同性質(zhì)類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。(parts-of)4、聯(lián)合：相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。(member-of)

空間對象類多邊形對象類

弧段對象類概括圖層對象類多邊形對象類

弧段對象類聚集22

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具

1、繼承：一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，它服務于概括,分為單重繼承和多重繼承。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。232、傳播是作用于聯(lián)合和聚集的工具，它通過一種強制手段將子目標的屬性信息傳播給復雜對象。成員對象的屬性只存儲一次，保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如桂林市總?cè)丝?，由存儲在各成員對象中的各區(qū)人口總和。3、繼承與傳播（區(qū)別）1）繼承服務于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集；2）繼承是從上層到下層，應用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象；3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；4）繼承是一種信息隱含機制，只要說明子類與父類的關系，則父類的特征一般能自動傳給它的子類，而傳播是一種強制性工具，需要在復合對象中顯式定義它的每個成員對象，并說明它需要傳播哪些屬性值。

24

三、現(xiàn)行空間數(shù)據(jù)庫管理方案基于文件與關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)混合管理方案基于關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案基于對象—關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案。25文件關系數(shù)據(jù)庫混合管理方案屬性數(shù)據(jù)建立在RDBMS上，數(shù)據(jù)存儲和檢索比較可靠、有效；幾何數(shù)據(jù)采用圖形文件管理，功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面，比商用數(shù)據(jù)庫要遜色得多?？臻g數(shù)據(jù)分開存儲，數(shù)據(jù)的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件：Arc/Info，MGE，GenMap等幾何數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)ID數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫早期圖形用戶界面圖形處理DBMS屬性用戶界面圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫高級語言ODBC協(xié)議GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫高級語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)庫開發(fā)26全關系式數(shù)據(jù)庫管理方案屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時采用關系式數(shù)據(jù)庫進行管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)不必進行煩瑣的連接，數(shù)據(jù)存取較快屬性間接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復雜的空間操作GIS軟件：System9，SmallWorld、Geovision等GIS界面屬性數(shù)據(jù)（定長記錄）空間數(shù)據(jù)（變長記錄）DBMS空間數(shù)據(jù)庫關系表二進制塊27對象關系數(shù)據(jù)庫管理方案對現(xiàn)有的關系數(shù)據(jù)庫進行擴展，增加空間數(shù)據(jù)類型解決了空間數(shù)據(jù)變長記錄的存儲問題，由數(shù)據(jù)庫軟件商開發(fā)，效率較高用戶不能根據(jù)GIS要求進行空間對象的再定義，因而不能將設計的拓撲結(jié)構進行存儲GIS軟件：TIGER，Geo++、GeoTropics等GIS界面空間數(shù)據(jù)處理DBMS空間數(shù)據(jù)庫擴充實體類型（點、線、面、圓等）28面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達和管理，它不僅支持變長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結(jié)構及它的操作?？梢詫⒖臻g對象根據(jù)ＧＩＳ需要，定義合適的數(shù)據(jù)結(jié)構和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結(jié)構可以帶和不帶拓撲，當帶拓撲時，涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的核心是對復雜對象的模擬和操縱。29四、GIS空間數(shù)據(jù)組織研究區(qū)域GIS工程并發(fā)控制空間索引工作區(qū)1工作區(qū)2工作區(qū)n工作層地物類邏輯層Arc/InfoMGEGeoStar屬性數(shù)據(jù)Arc/InfoMGEGeoStarARCINFO,屬性數(shù)據(jù)文件建在對應的coverage目錄下；

MGE，一個地物類對應于一個屬性表文件，且所有屬性都放在工程目錄下；

GeoStar，結(jié)合前兩者的優(yōu)點；30五、空間數(shù)據(jù)索引空間索引概念根據(jù)空間對象位置和形狀或空間對象的某種空間關系，按一定順序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構，包含空間對象的概要信息，以提高空間操作的效率GIS中引入空間索引的必要性工作區(qū)建立查詢、顯示數(shù)據(jù)提取常見空間索引方法對象范圍索引格網(wǎng)索引四叉樹索引R樹和R+樹索引31空間索引：對象范圍索引IDXmaxXminYmaxYmin1…………2…………3………………………4YmaxYminXminXmax空間對象集合123456檢索窗口XNYWYEXSXmax≥XNORXmin≤XSORYmax≥YEORYmin≤YW空間對象不被檢索XE≤Xmax，Xmin≤XNANDYW≤Ymax，Ymin≤YE空間對象被檢索XNYWYEXS23632空間索引：格網(wǎng)索引

將工作區(qū)按一定的規(guī)則劃分成格網(wǎng)記錄每個格網(wǎng)內(nèi)所包含的空間對象將格網(wǎng)按Morton碼進行編碼33空間索引：四叉樹索引

線性四叉樹采用Morton碼編碼（Peano鍵）根據(jù)空間對象覆蓋范圍，進行四叉樹分割建立Peano鍵與空間目標的索引關系

層次四叉樹記錄中間節(jié)點和父節(jié)點到子節(jié)點的指針若某個記錄覆蓋了哪一個中間節(jié)點，還要記錄該空間對象的標識空間索引：R樹和R+樹索引34§5-4空間數(shù)據(jù)庫的設計

空間數(shù)據(jù)庫的設計是指在現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎上建立空間數(shù)據(jù)庫的整個過程?，F(xiàn)實世界地理實體數(shù)據(jù)層設計結(jié)構設計需求分析數(shù)據(jù)字典設計35一、需求分析

需求分析是整個空間數(shù)據(jù)庫設計與建立的基礎，主要進行以下工作：1、調(diào)查用戶需求：了解用戶特點和要求，取得設計者與用戶對需求的一致看法。2、需求數(shù)據(jù)的收集和分析：包括信息需求(信息內(nèi)容、特征、需要存儲的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應時間)、完整性與安全性要求等。3、編制用戶需求說明書：包括需求分析的目標、任務、具體需求說明、系統(tǒng)功能與性能、運行環(huán)境等，是需求分析的最終成果。在需求分析階段完成：數(shù)據(jù)源的選擇和對各種數(shù)據(jù)集的評價（一般、空間、屬性評價）。

36二、結(jié)構設計

指空間數(shù)據(jù)結(jié)構設計，結(jié)果是得到一個合理的空間數(shù)據(jù)模型，是空間數(shù)據(jù)庫設計的關鍵?？臻g數(shù)據(jù)庫設計的實質(zhì)是將地理空間實體以一定的組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程，也就是地理信息系統(tǒng)中空間實體的模型化問題?，F(xiàn)實世界地理實體邏輯模型物理模型概念模型需求分析結(jié)構設計371、概念模型

是通過對錯綜復雜的現(xiàn)實世界的認識與抽象，最終形成空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應用系統(tǒng)所需的模型。表示概念模型最有力的工具是E—R模型，即實體—聯(lián)系模型，包括實體、聯(lián)系和屬性三個基本成分。用它來描述現(xiàn)實地理世界，不必考慮信息的存儲結(jié)構、存取路徑及存取效率等與計算機有關的問題，比一般的數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實地理世界，具有直觀、自然、語義較豐富等特點，在地理數(shù)據(jù)庫設計中得到了廣泛應用。市區(qū)要素空間實體空間實體屬性空間實體關系邊線走向街道路面質(zhì)量所屬路段所屬街道組成長度等m1模型E_R382、邏輯模型

邏輯模型的設計是將概念模型結(jié)構轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為具體DBMS可處理的地理數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(或外模式)，包括確定數(shù)據(jù)項、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。從E—R模型向關系模型轉(zhuǎn)換的主要過程為：①確定各實體的主關鍵字；②確定并寫出實體內(nèi)部屬性之間的數(shù)據(jù)關系表達式（函數(shù)依賴關系），即某一數(shù)據(jù)項決定另外的數(shù)據(jù)項；③把經(jīng)過消冗處理（規(guī)范化處理）的數(shù)據(jù)關系表達式中的實體作為相應的主關鍵字；④根據(jù)②、③形成新的關系。⑤完成轉(zhuǎn)換后，進行分析、評價和優(yōu)化。

393、物理設計

是指有效地將空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構在物理存儲器上實現(xiàn)，確定數(shù)據(jù)在介質(zhì)上的物理存儲結(jié)構，其結(jié)果是導出地理數(shù)據(jù)庫的