空間數(shù)據(jù)庫——第二部分第一章緒論.ppt

1、空間數(shù)據(jù)庫,授課教師：陳魯皖,主要參考書籍,1空間數(shù)據(jù)庫 美沙克哈（Shekhar,S.）著 謝昆青 馬修軍 楊冬青 譯 2地理空間數(shù)據(jù)庫原理崔鐵軍 編著 3為我們的世界建模美Michael Zeiler 著 張曉祥 張峰 姚靜 等 譯 4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論(第三版)薩師煊 王珊 等 編著 5 SQL Server 2005和Oracle 10g的相關(guān)教程 6ArcSDE管理員教程ESRI中國技術(shù)咨詢與培訓(xùn)中心,主要內(nèi)容安排,第一章 空間數(shù)據(jù)庫緒論 第二章 GeoDatabase與空間數(shù)據(jù)庫的建立 第三章 空間數(shù)據(jù)引擎與ArcSDE 第四章 空間數(shù)據(jù)庫的連接,本章主要內(nèi)容 一 空間數(shù)據(jù)庫概述 1.

2、1 空間數(shù)據(jù)庫的定義 1.2 空間數(shù)據(jù)庫的特征 1.3 空間數(shù)據(jù)庫的作用 1.4 空間數(shù)據(jù)庫的用戶 二 空間數(shù)據(jù)庫的形成與發(fā)展 2.1 數(shù)據(jù)庫的發(fā)展綜述 2.2 空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷程 三 空間數(shù)據(jù)庫模型,一、空間數(shù)據(jù)庫概述,1. 1 空間數(shù)據(jù)庫的定義 空間數(shù)據(jù)庫：指以特定的信息結(jié)構(gòu)(如國土、規(guī)劃、環(huán)境、交通等)和數(shù)據(jù)模型(如關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷?表達(dá)、存儲(chǔ)和管理從地理空間中獲取的某類空間信息，以滿足不同用戶對空間信息需求的數(shù)據(jù)庫。,相關(guān)概念 地理空間：指在現(xiàn)實(shí)世界中，地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的部分，地球上最復(fù)雜的物理過程、化學(xué)過程、生物過程和生物地球化學(xué)過程就發(fā)生

3、在該范圍中；同時(shí)地理空間還可以認(rèn)為是物質(zhì)、能量、信息存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時(shí)間上的延續(xù)。,空間信息：指在信息世界中有關(guān)地理空間信息，這是對現(xiàn)實(shí)世界的第一次抽象，即從現(xiàn)實(shí)世界到信息世界。 信息結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型：指在計(jì)算機(jī)世界中，通過抽象、建模形成不同數(shù)據(jù)種類的表示形式，通過空間數(shù)據(jù)庫所建立的數(shù)據(jù)模型(如關(guān)系數(shù)據(jù)模型)來進(jìn)行存儲(chǔ)、獲取、表達(dá)和管理。這是對現(xiàn)實(shí)世界的第二次抽象，即從信息世界到計(jì)算機(jī)世界。,1.2 空間數(shù)據(jù)庫的特征,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對空間數(shù)據(jù)管理的缺陷 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理的是不連續(xù)的、相關(guān)性較小 的數(shù)字或者字符，而空間數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且有很強(qiáng)的空間相關(guān)性；

4、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理的實(shí)體類型較少，并且實(shí)體類型間只有簡單的、固定的空間關(guān)系，而空間數(shù)據(jù)庫的實(shí)體類型繁多，實(shí)體間存在復(fù)雜的空間關(guān)系； 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通常為等長記錄的數(shù)據(jù)，而空間數(shù)據(jù)的目標(biāo)坐標(biāo)長度不定，具有變長記錄，并且數(shù)據(jù)項(xiàng)可能很多，很復(fù)雜； 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫只操作和查詢數(shù)字和文字信息，而空間數(shù)據(jù)庫需要大量的空間數(shù)據(jù)操作和查詢。,1.2.1、空間數(shù)據(jù)的特征,1）空間特征 2）非結(jié)構(gòu)化特征 3）空間關(guān)系特征 4）分類編碼特征 5）海量數(shù)據(jù)特征,每一個(gè)空間對象都有一個(gè)分類編碼，而這種分類編碼往往屬于國家標(biāo)準(zhǔn)，或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，每一種地物的類型在某個(gè)GIS中的屬性項(xiàng)個(gè)數(shù)是相同的。一種地物類型對應(yīng)

5、一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。,拓?fù)鋽?shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護(hù)增加了復(fù)雜性。,結(jié)構(gòu)化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項(xiàng)是原子數(shù)據(jù).而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)變長，對象包含一個(gè)或多個(gè)對象，需要嵌套記錄。,一般需要建立空間索引。,1.2.2 空間數(shù)據(jù)庫的特征 與一般數(shù)據(jù)庫相比，空間數(shù)據(jù)庫具有以下特征： 數(shù)據(jù)量特別巨大； 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一，數(shù)據(jù)種類多； 數(shù)據(jù)應(yīng)用面相當(dāng)廣泛。,在建立地理空間數(shù)據(jù)庫時(shí)，一方面應(yīng)遵循和應(yīng)用通用的數(shù)據(jù)庫的原理和方法；另一方面又必須采取一些特殊的技術(shù)和方法來解決其他數(shù)據(jù)庫所沒有的問題。,1.3 空間數(shù)據(jù)庫的作用,從不同角度考察空間數(shù)據(jù)庫的

6、作用： 從信息抽象體系來看，空間數(shù)據(jù)庫是從現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)地球到計(jì)算機(jī)世界中的映射。信息流是有關(guān)人流、物質(zhì)流和能量流的性質(zhì)、特征和狀態(tài)的表征，它依附于人流、物質(zhì)流和能量流而存在，即以人流、物質(zhì)流和能量流為載體。 因此可以通過研究信息流來認(rèn)識(shí)、理解和模擬人流、物質(zhì)流和能量流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。, 從社會(huì)需求體系的構(gòu)成看，社會(huì)的信息需求中有很多是與空間有關(guān)的。 目前主要是政務(wù)需求，現(xiàn)在正在建設(shè)的電子政務(wù)體系：辦公業(yè)務(wù)資源系統(tǒng)、宏觀經(jīng)濟(jì)管理、社會(huì)保障等 一個(gè)共同的特點(diǎn)：就是各子系統(tǒng)都基于相同的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。 從國際空間戰(zhàn)略來看，地理空間已作為各個(gè)國家共享的資源，所以對地理空間的數(shù)字化管理具有高度戰(zhàn)略意義。 在

7、軍事防御、環(huán)境監(jiān)測、資源管理等方面都具有非常重要的意義。“數(shù)字地球”作為一個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)，當(dāng)然現(xiàn)在還未能實(shí)現(xiàn)。但是從它的技術(shù)框架來看，空間數(shù)據(jù)庫是其中一個(gè)很重要的組成部分。,空間數(shù)據(jù)庫突出的兩點(diǎn)作用,對海量數(shù)據(jù)的管理能力。 空間分析功能。,現(xiàn)階段GIS空間數(shù)據(jù)庫存在的問題,1）數(shù)據(jù)共享問題 數(shù)據(jù)文件格式統(tǒng)一性。 地理信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 數(shù)據(jù)共享的政策。 2）數(shù)據(jù)“瓶頸”問題 3）數(shù)據(jù)更新問題 4）數(shù)據(jù)安全問題,1.4 空間數(shù)據(jù)庫的用戶,科學(xué)家 管理人員和商務(wù)專家 一般用戶,2 空間數(shù)據(jù)庫的形成與發(fā)展,2.1 數(shù)據(jù)庫發(fā)展綜述 1969年美國IBM公司開發(fā)了第一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)IMS 同年，美國的數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言

8、委員會(huì)(CODASYL)下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組提出了著名的DBTG報(bào)告，并在1970年提出了該報(bào)告的修訂版。 在2O世紀(jì)70年代開發(fā)了許多遵循DBTG報(bào)告的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如IDMS、IDS、DMSIIOO等。 20世紀(jì)70年代初，Codd E.F.提出了關(guān)系數(shù)據(jù)模型的概念和關(guān)系代數(shù)及關(guān)系演算。SYSTEM、INGRES、ORACLE 1986年美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(AGISI)通過了關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢語言SQL的文本標(biāo)準(zhǔn)。 從20世紀(jì)80年代后期到目前為止，出現(xiàn)了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。,2.2 空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷程,1）空間數(shù)據(jù)庫的計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展 三個(gè)階段：集中式系統(tǒng)階段、經(jīng)典的客戶/服務(wù)器系統(tǒng)階段和分布

9、式計(jì)算系統(tǒng)階段，如下圖所示。,2）空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展 層次模型 網(wǎng)絡(luò)模型 關(guān)系模型 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 3）管理模式的發(fā)展 文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng) 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),第三章 空間數(shù)據(jù)庫的模型,本章教學(xué)目標(biāo) 理解面向?qū)ο蟮南嚓P(guān)概念； 了解三維數(shù)據(jù)模型的概念； 了解時(shí)態(tài)GIS模型的相關(guān)概念。,本章主要內(nèi)容 1 面向?qū)ο蟮哪Ｐ?1.1 面向?qū)ο蟮母拍?1.2 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的概念 2 三維數(shù)據(jù)模型 2.1 三維空間的目標(biāo)分類 2.2 八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.3 四面體格網(wǎng) 3 時(shí)態(tài)GIS模型,1 面向?qū)ο蟮哪Ｐ?1.1 面向?qū)ο蟮母拍?

10、面向?qū)ο蟮亩x是指無論怎樣復(fù)雜的事例都可以準(zhǔn)確地由一個(gè)對象表示。每個(gè)對象都是包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實(shí)體，即是說，面向?qū)ο蟮哪Ｐ途哂蟹庋b性的特點(diǎn)。 面向?qū)ο蟮幕舅枷胧峭ㄟ^對問題領(lǐng)域進(jìn)行自然的分割，用更接近人類通常思維的方式，以“對象”作為最基本的元素建立問題領(lǐng)域的模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和行為模擬，從而使設(shè)計(jì)出的軟件能盡可能地直接表現(xiàn)出問題的求解過程。,1）對象（Object）封裝 含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨(dú)立模塊，可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。如一個(gè)城市、一棵樹均可作為地理對象。 一個(gè)對象object可定義成一個(gè)三元組： object=（ID，S，M） 其中，ID為對象標(biāo)識(shí)，M為方法集，S為對象的內(nèi)

11、部狀態(tài)。 對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質(zhì)相聯(lián)系，不同的目的就會(huì)有不同劃分。 劃分原則：找共同點(diǎn)，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象。,2）分類(classification） 類是關(guān)于同類對象的集合，具有相同屬性和操作的對象組合在一起。類是對象集合的抽象。 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(jì)算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。 class=（CID，CS，CM) 其中，CID為類標(biāo)識(shí)或類型名，CS為狀態(tài)描述部分，CM 為應(yīng)用于該類的操作。顯然有： SCS 和 MCM 當(dāng)objectclass時(shí),現(xiàn)實(shí)世界抽象

12、實(shí)例,現(xiàn)實(shí)世界,對象1,對象2,對象3,抽象,類,實(shí)例,3）概括(generalization）繼承 概括就是在定義類型時(shí)，將幾種類型中某些具有公共特征的屬性和操作抽象出來，形成一種更一般的超類。 比如，設(shè)有兩種類型 Class1=（CID1，CSA，CSB，CMA，CMB） Class2=（CID2，CSA，CSC，CMA，CMC） Class1和Class2中都帶有相同的屬性子集CSA和操作子集CMA并且CSACS1 和 CSACS2 及 CMACM1 和 CMACM2因而將它們抽象出來，形成一種超類： Superclass =（SID，CSA，CMA) 在定義了超類以后，Class1和C

13、lass2可表示為： Class1=（CID1，CSB，CMB） Class2=（CID2，CSC，CMC）,4）聯(lián)合(association) 在定義對象時(shí)，將同一類對象中的幾個(gè)具有相同屬性值的對象組合起來，為了避免重復(fù)，設(shè)立一個(gè)更高水平的對象表示那些相同的屬性值。 假設(shè)有兩個(gè)對象 Object1 =（ID1，SA，SB，M) Object2 =（ID2，SA，SC，M) 其中，這兩個(gè)對象具有一部分相同的屬性值，可設(shè)立新對象Object3包含Object1和Object2： Object3 =（ID3，SA，Object1，Object2，M) 此時(shí)，Object1和Object2可變?yōu)?O

14、bject1 =（ID1，SB，M) Object2 =（ID2，SC，M) Object1和Object2稱為“分子對象”，它們的聯(lián)合所得到的對象稱為“組合對象”。 聯(lián)合的一個(gè)特征是它的分子對象應(yīng)屬于一個(gè)類型。,5）聚集(aggregation)傳播 聚集是將幾個(gè)不同特征的對象組合成一個(gè)更高水平的對象。每個(gè)不同特征的對象是該復(fù)雜對象的一部分，它們有自己的屬性描述數(shù)據(jù)和操作，這些是不能為復(fù)雜對象所公用的，但復(fù)雜對象可以從它們那里派生得到一些信息。 例如，設(shè)有兩種不同特征的分子對象 Object1 =（ID1，S1，M1) Object2 =（ID2，S2，M2) 用它們組成一個(gè)新的復(fù)合對象 O

15、bject3 =（ID3，S3，Object1（Su)，Object2（Sv），M3) 其中SuS1，SVS2，從上式中可見，復(fù)雜對象Object3擁有自己的屬性值和操作，它僅是從分子對象中提取部分屬性值，且一般不繼承子對象的操作。 在聯(lián)合和聚集這兩種對象中，是用“傳播”作為傳遞子對象的屬性到復(fù)雜對象的工具。,1.2 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的概念,（1）基本含義 為了有效地描述復(fù)雜的事物或現(xiàn)象，需要在更高層次上綜合利用和管理多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型，并用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行統(tǒng)一的抽象。這就是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的含義，其具體實(shí)現(xiàn)就是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。,面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理，它不僅支持變

16、長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。 面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的核心是對復(fù)雜對象的模擬和操縱。,（2）復(fù)雜對象,指具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和操作的對象。復(fù)雜對象可以由多種關(guān)系而成，或由不同類型的對象聚合抽象構(gòu)成，或具有復(fù)雜的嵌套關(guān)系等。,（3）面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)模型,從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點(diǎn)、線、面狀地物以及由它們混合組成的復(fù)雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構(gòu)成。,一個(gè)面狀地物是由邊界弧段和中間面域組成，弧段又涉及到節(jié)點(diǎn)和中間點(diǎn)坐標(biāo)?；蛘哒f，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯(lián)合組成復(fù)雜地物。,（4）拓?fù)潢P(guān)系與面向?qū)ο竽Ｐ?將每條

17、弧段的兩個(gè)端點(diǎn)（通過它們與另外的弧段公用）抽象出來，建立單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)對象類型，而在弧段的數(shù)據(jù)文件中，設(shè)立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)子對象標(biāo)識(shí)號(hào)，即用“傳播”的工具提取節(jié)點(diǎn)文件的信息。,面域文件,弧段文件,節(jié)點(diǎn)文件,拓?fù)潢P(guān)系與數(shù)據(jù)共享,這一模型既解決了數(shù)據(jù)共享問題，又建立了弧段與節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系。同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數(shù)據(jù)共享和幾何拓?fù)潢P(guān)系的建立也達(dá)到一致。,（5）面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型,面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型是在包含RDBMS的功能基礎(chǔ)上，增加面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的封裝、繼承和信息傳播等功能。,（6）面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的特點(diǎn),可充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)。 具有可擴(kuò)充性。由于對象是相對獨(dú)立的，因此可以很自然和容

18、易地增加新的對象，并且對不同類型的對象具有統(tǒng)一的管理機(jī)制。 c) 可以模擬和操縱復(fù)雜對象。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是面向簡單對象的，無法直接模擬和操縱復(fù)雜實(shí)體，而面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型具備對復(fù)雜對象進(jìn)行模擬和操縱的能力。,在GIS中建立面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型時(shí)，對象的確定還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是，對象的建立應(yīng)符合人們對客觀世界的理解，并且要完整地表達(dá)各種地理對象，及它們之間的相互關(guān)系。,2 三維數(shù)據(jù)模型,2.1 三維空間的目標(biāo)分類 2.2 八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.3 四面體格網(wǎng),2.1 三維空間的目標(biāo)分類,在三維空間中，可將空間地物按維數(shù)分成零維（點(diǎn)），一維（線）、二維（面）和三維（體）四大類。 零維空間：有點(diǎn)狀地物

19、和用來表示與弧段的關(guān)聯(lián)關(guān)系的結(jié)點(diǎn)兩類目標(biāo)。 一維空間：有“拓樸弧段” 、“無拓樸弧段”和線狀地物。其中“拓樸弧段”可以是構(gòu)成多邊形的邊界線也可是構(gòu)成各類網(wǎng)線（如水系網(wǎng)、交通網(wǎng)、城市地下管網(wǎng)）的網(wǎng)線段。 二維空間：主要有三類目標(biāo)，一個(gè)是構(gòu)成面狀地物的拓樸面片；第二個(gè)是像素，用它可組成面狀要素；第三個(gè)是根據(jù)有限的離散數(shù)據(jù)建立數(shù)字表面模型。 三維空間，有由若干個(gè)面片或由數(shù)字立體模型表示體狀地物；以及根據(jù)有限的三維空間離散數(shù)據(jù)建成的數(shù)字立體模型。,2.2 八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維柵格數(shù)據(jù)的壓縮形式，是二維柵格數(shù)據(jù)中的四叉樹在三維空間的推廣，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是將所要表示的三維空間V按X、Y、Z三個(gè)

20、方向從中間進(jìn)行分割，把V分割成八個(gè)立方體，然后根據(jù)每個(gè)立方體中所含的目標(biāo)來決定是否對各立方體繼續(xù)進(jìn)行八等分的劃分，一直劃分到每個(gè)立方體被一個(gè)目標(biāo)所充滿，或沒有目標(biāo)，或其大小已成為預(yù)先定義的不可再分的體素為止。,四叉樹回顧,將圖件覆蓋的區(qū)域按照四個(gè)象限進(jìn)行遞歸分割，直到子象限的屬性碼值變?yōu)閱我粸橹够蜻_(dá)到預(yù)定精度的網(wǎng)格大小為止。(對于達(dá)到預(yù)定精度的網(wǎng)格其覆蓋的屬性編碼未能單一，則按占據(jù)面積大者的屬性編碼為該網(wǎng)格的屬性編碼) 這就是常規(guī)四叉樹的建立過程。,四叉樹壓縮編碼原理,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,11,12,13,1,6,2,3,4,5,7,8,9,10,11,12,13,(a)

21、四叉劃分遞歸過程,(b)四叉樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),圖2-21 四叉樹壓縮編碼原理圖,樹根代表整個(gè)圖件，樹的每個(gè)結(jié)點(diǎn)有四個(gè)分支或端點(diǎn)，沒有分枝的端點(diǎn)稱為葉節(jié)點(diǎn)，葉節(jié)點(diǎn)對應(yīng)圖件上區(qū)域分割時(shí)不在繼續(xù)分割的子象限。,編碼過程,地址編碼,三維空間體V中的物體,三維空間體V及劃分編碼,八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)舉例,八叉樹的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以非常方便地實(shí)現(xiàn)有廣泛用途的集合運(yùn)算（例如，可以求兩個(gè)物體的并、交、差等運(yùn)算）而這些恰是其它表示方法比較難以處理或者需要耗費(fèi)許多計(jì)算資源的地方。此外，由于這種方法的有序性及分層性，因而對顯示精度和速度的平衡等，帶來了很大的方便，特別有用。,2.3 四面體格網(wǎng),四面體格網(wǎng)（Tetrahedral NetworkTEN）是將目標(biāo)空間用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體形成的格網(wǎng)來表示，其實(shí)質(zhì)是2D TIN