[计算机]数据库论文.doc

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1、北华大学计算机科学技术学院 数据库原理课程论文 空间数据库管理系统的研究院 系： 计算机学院软件工程系 班 级： 姓 名： 学 号： 组 员： 指导教师： 空间数据库管理系统的研究 摘 要空间数据库是随着地理信息系统(Geographic Information System)的开发和应用而发展起来的数据库新技术，随着传统数据库在空间数据的表示、存储、管理和检索上存在许多缺陷，形成空间数据库这一新的数据库已成为必然趋势，这个空间数据库研究很有发展，它涉及计算机科学、地理学、地图制图学、摄影测量与遥感、图像处理等学科。目前，空间数据库系统不是独立存在的系统，它和应用紧密结合，大多数作为地理信息系

2、统的基础和核心的形式出现。本文主要阐述了空间数据库管理系统的一些基本概念，并且提出一种适用于空间数据类型的储存机制关系-对象型数据结构，试图使同一个DBMS引擎有效地存贮及处理各种类型的空间信息及多媒体信息。关键词 空间数据库；数据库管理系统；面向对象；数据模型；信息处理 Spatial Data Base Management System of Research AbstractThe Spatial DataBase is along with the geographical Information System (GPS) Information System development

3、 and application of the database and developed new technology , as the traditional database in spatial data representation, storage, retrieval on management and has many defects, thus forming the spatial database of this new database research fields, it includes computer science, geography, map cart

4、ography, photogrammetry and remote sensing, image processing, and other disciplines . At present,the spatial database system is not exist independently of the system, and its application closely, most as geographic information system foundation and the core of form . This article mainly discusses th

5、e spatial database management system of some basic concepts, and put forward a kind of suitable for spatial data types of storage mechanism - relations - object type data structure, and try to make the same DBMS engine effectively storage and handling all types of spatial information and multimedia

6、information.key words Spatial Data Base； Database Management System； Object Oriented; Data Model；Information Processing1.绪论空间数据库管理系统是GIS的核心，每一次空间数据库管理系统的技术变革都带来GIS软件技术的革命。所谓空间数据是指地理信息系统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，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的；是与空间位置和空间关系相联系的数据。空间数据是用于表示空间物体的位置、形状、大小和分布特征等诸方面信息的数据，适合

7、用于描述所有二维、三维和多维分布的关于区域的现象。空间数据的特点是不仅包括物体本身的空间位置及状态信息，还包括表示物体的空间关系(即拓扑关系)的信息。属性数据为非空间数据，用于描述空间物体的性质，对空间物体进行语义定义。空间数据库系统是描述、存储和处理空间数据及其属性数据的数据库系统。传统的数据库系统只适用于管理二维数据。随着数据库应用领域的扩展，不断涌现声、图、动画等新的数据类型。这些类型的共同之处是需要处理基于空间概念上的数据。2空间数据库的特征：（1）空间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征。这意味着在空间数据组织方面，要考虑它的空间分布特征。除了通用性数据库管理

8、系统或文件系统关键字的索引和辅关键字索引以外，一般需要建立空间索引。（2）非结构化特征在当前通用的关系数据库管理系统中，数据记录一般是结构化的。即它满足关系数据模型的第一范式要求，每一条记录是定长的，数据项表达的只能是原子数据，不允许嵌套记录。而空间数据则不能满足这种结构化要求。若将一条记录表达一个空间对象，它的数据项可能是变长的，例如，1条弧段的坐标，其长度是不可限定的，它可能是2对坐标，也可能是10万对坐标;其二，1个对象可能包含另外的1个或多个对象，例如，1个多边形，它可能含有多条弧段。若1条记录表示1条弧段，在这种情况下，1条多边形的记录就可能嵌套多条弧段的记录，所以它不满足关系数据模

9、型的范式要求，这也就是为什么空间图形数据难以直接采用通用的关系数据管理系统的主要原因。（3）空间关系特征空间数据除了前面所述的空间坐标隐含了空间分布关系外。空间数据中记录的拓扑信息表达了多种空间关系。这种拓扑数据结构一方面方便了空间数据的查询和空间分析，另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。特别是有些几何对象，没有直接记录空间坐标的信息，如拓扑的面状目标，仅记录组成它的弧段的标识，因而进行查找4显示和分析操作时都要操纵和检索多个数据文件方能得以实现。（4）分类编码特征一般而言，每一个空间对象都有一个分类编码，而这种分类编码往往属于国家标准，或行业标准，或地区标准，每一种地物的类

10、型在某个GIS中的属性项个数是相同的。因而在许多情况下，一种地物类型对应于一个属性数据表文件。当然，如果几种地物类型的属性项相同，也可以多种地物类型共用一个属性数据表文件。（5）海量数据特征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贮，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。3空间数据库技术研究的主要内容（1）空间数据模型 空间数据模型是描述空间实体和空间实体关系的

11、数据模型，一般来说可以用传统的数据模型加以扩充和修改来实现，也可以用面型对象的数据模型来实现。空间数据库常用的空间数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构以下两种。（2）空间数据查询语言 空间数据查询包括位置查询、空间关系查询和属性查询。前两种查询是空间数据库特有的，基本方式有几下几种。l 面-面查询：例如查询与某一面状物A相邻的多边形；l 线-线查询：例如查询某一河流A的所有支流；l 点-点查询：例如查询两点之间的距离；l 线-面查询：例如查询铁路A穿过的所有城镇；l 点-线查询：例如查询某一河流A(线)上的所有桥梁(点);l 点-面查询：例如查询某一城市A地图中的所有医院(点)。 空间数据查询

12、语言是为了正确表达以上查询请求。4空间数据库管理系统模式由于空间数据的复杂性和特殊性。一般的商用数据库管理系统难以满足要求。因而。围绕空间数据管理方法，出现了几种不同的模式：（1）文件与关系数据库混合管理系统大部分GIS软件采用混合管理的模式。即用文件系统管理几何图形数据，用商用关系数据库管理系统管理属性数据，它们之间的联系通过目标标识或者内部连接码进行连接，如下图所示： （2）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是指图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理。关系数据库管理系统的软件厂商不作任何扩展，由GIS软件商在此基础上进行开发，使之不仅能管理结构化的属性数据，而且能

13、管理非结构化的图形数据。用关系数据库管理系统管理图形数据有两种模式，一种是基于关系模型的方式，图形数据按照关系数据模型组织。这种组织方式由于涉及一系列关系连接运算，这样相当费时，例如为了显示一个多边形，需要找出组成多边形的采样点坐标。用关系数据库管理系统管理图形数据的另一种方式是将图形数据的变长部分处理成Binary二进制块Block,字段。目前大部分关系数据库管理系统都提供了二进制块的字段域，以适应管理多媒体数据或可变长文本字符。GIS利用这种功能，通常把图形的坐标数据，当作一个二进制块，交由关系数据库管理系统进行存贮和管理。这种存贮方式，虽然省去了前面所述的大量关系连接操作，但是二进制块的

14、读写效率要比定长的属性字段慢得多，特别是涉牵对象的嵌套，速度更慢。（3）对象关系数据库管理系统许多数据库管理系统的软件商纷纷在关系数据库管理系统中进行扩展，使之能直接存贮和管理非结构化的空间数据，这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据变长记录的管理，由于由数据库软件商进行扩展，效率要比前面所述的二进制块的管理高得多。但是它仍然没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构也不能由用户任意定义，使用上仍然受到一定限制。（4）面向对象空间数据库管理系统面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。面向对象的空间数据库管理系统允许用户定义对象和对象的

15、数据结构以及它的操作。这样，我们可以将空间对象根据GIS的需要，定义出合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以是不带拓扑关系的面条数据结构，也可以是拓扑数据结构，当采用拓扑数据结构时，往往涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。当前已经推出了若干个面向对象数据库管理系统如O2、Object store otorn等，也出现了一些基于面向对象的数据库管理系统的地理信息系统，如GDE等。但由于面向对象数据库管理系统还不够成熟，价格又昂贵，目前在GIS领域还不太通用。相反基于对象F关系的空间数据库管理系统将可能成为GIS空间数据管理的主流。5面向对象的矢栅一体化空间数据库管理系统面向对象的

16、矢栅一体化数据模型是面向对象技术与空间数据库技术相结合的产物。面向对象技术已成为现代计算机技术的主流技术。在众多领域，面向对象技术已成为新一代软件体系结构的基石。面向对象数据模型和面向对象的空间数据管理一直是地理信息系统领域所追求的目标。自80年代末、90年代初，人们就相当重视面向对象技术在GIS领域中的应用，软件技术也在不断发生变革，较早推出的面向对象GIS软件System 9，对面向对象方法在GIS中的应用起了较大推动作用，之后的Small Word和最近的ARC/INFO8.0，已使面向对象GIS达到了普及应用阶段。武汉测绘科技大学(新武汉大学)开发的地理信息系统软件GeoStar从一开

17、始设计就采用面向对象数据模型和面向对象技术，中国的地球空间数据交换格式也是以面向对象的逻辑模型为主要设计思想的。空间对象有两个明显的特征：一个是几何特征，它有大小、形态和位置X另一个是物理特征，即地物要素的属性特征，它是道路，还是河流或房屋。就物理特征来说，一般将空间对象进行编码，国家亦有空间要素的分类编码标准。从几何特征而言，空间对象在二维GIS中可以抽象为零维对象、一维对象和二维对象。我们将零维对象均抽象为点对象，一维对象称为线对象，二维对象抽象为面对象。为了直观的表达空间对对象及周围环境的状态和性质，一般需要注记。6空间数据库管理机制的特殊性空间数据库的管理系统从表示、管理，到处理空间信

18、息都具有它们自己的固有特性。(1) 一个空间对象，比如一幅图像，不能用存储字符编码的方式来存储。同样，检索一幅图像，也不象检索一个字符串那样直接。(2) 虽然数据库管理语言有能力描述空间信息和字符信息的处理过程，但由于两种过程在本质上的差异，描述两种过程的语义规则不能混和，如图所示：(3) 空间信息所描述的空间对象可聚类为点、线、面、体。对空间对象的操作主要是面向非规范关系。空间数据库管理系统必须提供对这些对象的空间运算功能。如：拓扑操作这些操作与空间物体间相对位置相关。其空间关系可归纳为“包含”、“相联”、“覆盖”等。几何操作这些操作基于两个实体间距离的概念之上。其空间关系可归纳为“靠近”、

19、“远离”等。方位操作这些操作基于矢量概念之上。其空间关系可归纳为“在左边”，“在右边”，“在上面”，“在下面”等。7关系-对象型存取结构数据库管理系统对每一个所定义的数据类型都有一个外部(ASCII)表示和一个内部(存储)表示。考虑外部表示时，主要考虑如何便于用户使用。而考虑内部表示时，则需考虑如何节省存储空间，如何便于存取操作。对于如上节所定义的这些空间数据类型，使用传统的存取结构和传统的内部表示方法是远远不够的。目前已出现了多种空间数据存取结构。如，适用于二值图像存储的四叉树；利于表示空间规则物件的八叉树；机械零件装配件表示中常用的CSG树或B-rep表示法；GIS领域里常用的拓扑型数据结

20、构“点-线-面”表结构；以及R树，R+树等；还有新近开发的适用于高维特征空间表示的TV树等。这些结构在各自领域内都得到了广泛的应用。8总结本文阐述了空间数据库管理系统的基本概念,四种空间数据库管理系统模式，并从DBMS引擎这一层出发，提出一种适用于空间数据类型的储存机制关系-对象型存取结构。这种结构可以说是传统的关系数据存取结构与空间数据存取结构的融合。该结构能同时有效地管理和处理传统的数据类型和新型的空间数据类型。9参考文献1.Fritsch D Object-oriented Management of Raster Data in Geographic Information Syste

21、m2.Ju Shiguang A Visual Spatial Database 2010；3.Figueroa D Integrated GIS Discussion and Examples 2008；4.龚健雅 地理信息系统基础 20105.Li Aiqin.Gong Jianya.Li Deren Organizing for large seamless geographical databases 2008(01)6Ehlers E Integration of Remote Sensing with Geographic Information:A Necessary Evolution2009(11)7