空间数据库导论讲.ppt

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1、各类空间及其共性,一、空间的概念涵盖很大范畴:人类赖以生存的地球空间，天文学研究的宇宙空间，医学中的脑空间，生物学的分子结构，以及信息科学研究的网络空间等均为某种空间。二、各类空间的共性:各类空间均分布着多种空间实体；这些实体都占据着各自空间中一定的范围或位置，具有特定的几何形状、个体特征和内部结构；实体之间存在着空间位置关系和其他关系，这些关系反映了空间的整体结构；实体的特征、内部结构、实体间的各种关系随着时间变化，反映了空间的动态特征。,各类空间及其共性,三、空间数据库是一个通用概念:空间数据库原理与技术适用于上述各类空间，但不同空间具有各自的特点，针对不同空间的空间数据库在数据模型和具体

2、结构上具有一定差异。地理空间是最大、最复杂的一种空间，地理空间数据库是最复杂的、具有代表性的、应用面最广的一种空间数据库。,导 论,一、空间数据库的任务二、地理空间的概念、定位框架与模型三、空间数据的概念与特点四、空间数据管理的复杂性（模型复杂性、实现复杂性）五、空间数据库与地理信息系统,Back,空间数据库的任务,数据库系统由一个互相关联的数据集合和一组用以访问这些数据的程序组成。前者指数据库本身，后者称为数据库管理系统DBMS。设计数据库是为了管理大量信息，数据管理问题涉及信息结构的定义、提供信息操作机制、维持信息正确状态、保障信息的安全、避免多个用户共享时的数据异常。数据库的三大任务：（

3、1）建立数据模型，描述信息结构，使数据组织有序；（2）设计数据存储方法，实现数据的三层独立；（3）实现统一管理和有效控制，提供高效安全的访问与共享。,空间数据库的任务,多年来的GIS实践表明，大部分现有DBMS无法直接管理空间数据，或管理的空间数据难以使用，空间数据库主要研究存储、管理和检索空间数据的有效技术。空间数据库是数据库概念、理论、技术的发展和创新，其任务是以数字形式表示各类空间的宏观和微观结构，建立空间数据模型并转化为有效的的存储结构，以最小空间和时间代价有效组织、存储、管理和控制各类空间数据，维护数据的现势性和正确状态，提供一定的访问机制，安全、高效、准确的实现数据的共享。,Bac

4、k,地理空间的概念,地理空间指物质、能量、信息的存在形式，在形态、结构、过程、功能关系上的分布方式和格局，及其在时间上的延续。地理空间是地球周围的一个区域，是一个环形球状空间，按层次划分为岩石层、土壤圈、水圈、生物圈、大气层和电离层。地球表层陆地和海洋表面附近的空间称为地球表层空间。有两种认识与编码地理空间并提取空间信息的观点：1、相对空间观点：相对空间是具有属性特征的空间实体的集合，由不同空间实体之间的空间关系构成（陈述彭 1999）。2、绝对空间观点：绝对空间是具有属性描述的空间位置集合，它由一系列表示不同位置的坐标值组成（陈述彭 1999）。,Back,地理空间的定位框架,2、椭球面空间

5、参照系统：将地球抽象为接近地球形状的旋转椭球，以椭球面为地球表面几何模型。任意点P的位置用（B,L）+大地高H表示。3、平面参照系统：研究区域范围不大时用平面作为地球表面的局部几何模型，任意点P的位置用(x,y)+海拔高h表示。4、嵌套坐标系：如交通网络中的线性参照系统。,Back,地球表层空间的定位参照基准是陆地表面和海洋表面，将地球表面简化为不同的几何模型，建立不同的空间参照系统，确定各自的定位方法。主要定位方法：1、地心3维空间参照系统：以地心为原点，相互垂直的X，Y，Z为坐标轴的真3维空间直角坐标系统，任意点位表示成坐标矢量（X,Y,Z）。,图0-1 空间定位构架,地理空间的模型,人类

6、认识和解释地理空间的历史概括为三个阶段：第一阶段：视觉模型：以空间几何定位为基础，依靠简单量测的草绘纸质地图来认识、解释和分析自然环境。纸质地图是地理空间实体分布形式与空间关系的视觉图解表象，是认识自然与人文环境的重要工具和手段。第二阶段：符号模型：以数值方程为基础，在空间参照系统中用数学方法表示空间实体的位置和关系，用平面符号化地图对现实世界作全面地描述，精确数值表示的纸质地图成为地理空间的形象/符号/概括模型。第三阶段：空间数据模型：从信息科学角度来认识、解释与分析客观世界，空间数据模型是地理空间中空间实体集合的质量、数量、时间、空间特性的全面抽象和概括，是地理空间特征与结构的数字表现形式

7、。1、表达内容：用数据形式表示空间实体的关键特征。2、存储模型：将空间数据组织成数学空间中的2维、3维或多维动态空间 数据模型，由空间数据库统一存储、管理、操纵和控制。3、展现形式：以数字、视觉或触觉方式表现，以数学、数字、实物或其他形式存在，以可视化、符号化地图模型展现。,Back,空间数据的概念（空间现象）,现实世界中的事实、存在、事物、要素、实体、对象、环境、映像等统称为现象。地理空间中占据一定的空间范围或位置，具有特定的几何形状，具有完整地理含义的各种自然地物、人工建筑物和构筑物、现象、区划、分布、实体、环境等统称为空间现象。空间现象是具有时空特征的现象的统称。,空间数据的概念（空间现

8、象分类）,1、空间现象集合（1）连续分布的空间表面或空间场：不同位置属性取值是空间位置的连续函数，形态是一种分布表面或空间场，称为地面模型。如：高程、温度等是一种表面。（2）空间的某种划分：呈分片连续分布的空间现象集合，每个分片的属性相同，分片之间边界模糊（无固定形状），如：土地覆盖物、土壤。或分片间边界清晰但边界容易变化，通常进行整体分析，注重整体分布特征的空间现象集合，如：土地使用情况、地面覆盖、土地权属、气象区域等。（3）嵌入空间的网络：交通网络、输电线路、各种地上和下管网等，这类现象是一种嵌入地理空间的网络。2、独立空间现象 具有清晰边界和固定形状（规则或不规则形状），空间上可区分，应

9、用中作为单个对象进行研究的空间现象称为独立空间现象。,空间数据的概念（空间要素）,空间要素是空间现象经过人类大脑的认知和抽象，并结合应用目标提取其本质特征后，在概念世界中的信息表示形式。,空间要素是唯一命名的、可以相互区分的、具有完整地理含义的抽象信息概念，它用“空间实体”这个抽象概念，以数字形式来组织和存储“空间现象”的信息结构，以“符号地图”对所表达的内容进行可视化展现。,空间数据的概念（空间数据）,描述空间要素的三类特征及其相互关系的一切有用知识称为空间信息。空间信息通过某种方式离散化，转换为计算机能够存储和处理的符号形式（数字、文字、图形、图像等）称为空间数据。空间数据是空间信息的载体

10、或符号化表示，遥感等图象数据，普通地图和专题地图等图形数据，地理统计数据以及环境监测数据等均是空间数据的重要代表。,Back,空间数据的特点,1、空间性：最主要的特征，包括几何坐标和空间关系。2、抽象性：根据应用需求对空间要素进行选择、抽象和表达。不同应用有不同取舍、综合、抽象与简化。不同抽象具有不同语义和形状。3、多尺度与多态性：同一空间要素在不同观测尺度下的形态差异和多个空间要素在空间上的部分共位现象。4、时序特征：表达动态变化和演变规律。5、非结构化：表达空间要素形状的坐标点数据是变长的。6、空间结构复杂：指空间要素组成的复杂性及空间关系的复杂性。7、地理分类编码特征：按照某一种标准（国

11、家、行业、地方标准）分类，具有地理分类编码，同类空间要素具有相同的主题属性结构。8、可视性：以形象化的图形符号模型来展示。9、空间计算：维护、管理、处理、查询、分析和可视化需要空间计算。10、多源性：多种来源的空间数据存在语义、内容、定位基准、比例尺、精度、存储结构和格式等方面的差异。11、海量数据特征：空间数据量巨大，有海量特征，需提高查询效率。13、长事务特征：对空间属性的一次编辑操作是一个长事务。14、分层与分块：图幅与图层。,Back,空间数据模型的复杂性,1、几何特征的表达：表达形状、复杂形状的构成、多尺度与多态性、三维实体的二维表示、时空特征。2、空间关系表达：存储部分拓扑关系，表

12、达度量与方位关系。3、空间行为的表达：与几何数据相关的所有运算称为空间计算，表达空间要素的行为特征，空间数据模型应表达行为特征。4、多源与无缝问题：空间数据库内部的数据无缝（物理缝隙）与不同GIS系统互操作时的数据无缝（逻辑缝隙）。前者指连续地理空间分离存储到不同的存储空间和存储单元（分幅、分层）。后者指逻辑上的连续信息不能以逻辑连续方式呈现，不能获取整体信息。数据采集、存储、处理、多尺度和多源异构都可引起裂缝。5、空间数据可视化：空间数据的可视性需以符号地图展现。6、空间属性与主题属性的集成 7、空间数据模型的多样性,Back,空间数据库实现的复杂性,1、实现形式的多样性：具体实现形式有文件

13、结构、文件与关系数据库混合结构、纯关系数据库结构、面向对象数据库和对象关系数据库等。多种实现形式并存，GIS应用目标多样性、空间数据模型与空间数据库实现形式多样性增加了GIS系统复杂性。2、实现技术的复杂性（1）抽象数据类型(Abstract Data Type，ADT)。（2）对象关系模型：要使RDBMS支持ADT，就需要将关系模型与面向对象概念结合，形成混合型对象关系数据库管理系统（OR-DBMS），集成ADT和其他面向对象设计原则的RDBMS称为 OR-DBMS，它是空间数据库管理系统的根基。（3）扩展SQL：具有内部指定ADT和调用空间方法的能力。（4）空间索引与查询处理：空间索引结构

14、及空间查询算法是空间数据库管理系统应该实现的基本功能。3、应用目标的复杂性：应用的广泛性欲不同的应用需求。4、不断的发展变化：理论、技术、应用处于不断发展过程中。,Back,空间数据库与地理信息系统,1、空间数据库 2、数据库与空间数据库3、空间数据库与地理信息系统4、GIS与空间数据库的发展过程,Back,空间数据库（内容）,Back,1、地图数据库：包括线划地图数据库、数字高程模型数据库、数字栅格地图数据库、数字正射影像数据库和地名数据库。2、影像数据库：包括基础航空摄影数据库和卫星遥感影像数据库。3、大地(测绘基准)数据库：（1）国家平面控制网：按控制等级和施测精度分为1、2、3、4等网

15、的1954北京坐标系和1980西安坐标系两套成果。（2）国家高程控制网：按控制等级和施测精度分为1、2、3、4等4级网，目前使用1985年国家高程基准。（3）国家重力基本网：确定我国重力加速度数值的坐标体系。该成果应用在研究地球形状、精确处理大地测量观测数据、发展空间技术等方面。目前使用1985年国家重力基本网。（4）国家高精度卫星定位基本网：它是利用卫星定位技术建立起来的新一代精确定位和导航的空间定位坐标体系。目前使用的是国家高精度卫星定位控制网，包括A级、B级网和用于动态导航服务系统的地球定位系统(GPS)跟踪站。4、专题应用数据库：为满足国民经济建设、生产、生活、科研、教学、商业等各行业

16、部门和领域对专题性地理信息需求而建立的数据库，提供专题影像数据、电子地图等，具有专业空间分析功能。,空间数据库是在数据库的基础上发展起来的，是对标准数据库的扩充与创新。空间数据库的基本原理、研究的基本内容、实现的基本功能和达到的总体目标与数据库基本一致。空间数据库管理系统围绕着空间数据的表达、管理与控制问题，尽可能利用标准数据管理技术当前取得的成果，继承了数据库管理系统的并发机制、安全机制，并针对空间数据这一特殊的数据集，在主流数据库管理系统的基础上进行内容和功能的扩充，在数据库理论、实现技术、数据模型、数据访问与控制等方面具有较大创新。扩充和发展体现在以下几个方面：1、空间数据模型：一般数据

17、模型不能表达地理空间复杂的信息结构，研究空间数据库必须先研究空间数据模型及相关问题。2、空间数据库的实现技术：要实现基本的空间数据管理功能，至少要在标准的数据库管理系统中定义新的空间数据类型，支持空间计算，建立空间索引，考虑空间数据访问的安全和并发问题，实现海量数据的管理等功能。3、地理空间认知、空间数据模型、空间数据访问、海量数据管理、长事务处理、空间数据可视化、空间数据库管理和实现（空间索引、空间计算、空间数据结构）技术等很多内容还在不断变化和发展，空间数据库理论与技术是数据管理技术的发展与创新。,数据库与空间数据库,Back,空间数据库与地理信息系统（一）,1、空间数据库是地理信息系统在

18、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；空间数据库管理系统是对空间数据进行统一管理的一组软件，是地理信息系统应用软件与空间数据库之间的桥梁。系统设计人员、数据库管理员和用户分别在不同的层面上通过空间数据库管理系统来操纵和处理空间数据。空间数据库是地理信息系统的基础、支撑，也是GIS的关键组成部分，是GIS发挥作用的关键。空间数据库设计的成败，直接影响到地理信息系统开发与应用水平和成效。2、地理信息系统是基于空间数据库建立的完整的空间信息系统，是空间数据库的前端，用于对空间数据库中的数据进行各种处理、分析和展现。GIS是以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种空

19、间和动态的地理信息，为地理研究和决策服务的计算机技术系统。,空间数据库与地理信息系统（二）,Back,一个GIS应用系统可划分为空间数据管理和空间分析应用两个层次，空间数据管理层通过空间数据库管理系统来实现空间数据的存储、管理、控制和访问，空间分析应用层通过GIS应用程序实现空间数据的专业分析和复杂对象的可视化显示。,GIS与空间数据库的发展（一）,一、传统GIS和空间数据库 传统GIS的发展经历了近40年，从时间上划分为三个阶段：（一）起步阶段（20世纪60年代到80年代）的主要特点：1、技术架构：单机、集中式管理和处理。数据存储、管理和应用集中一体，以系统为中心，单用户环境。2、数据模型：

20、采用地图数据模型，形成图层、图库和拓扑关系等概念并沿用至今。空间数据采集主要是纸质地图手工数字化。3、数据管理：图形和属性均采用文件管理，自主开发数据操纵语言，不能嵌入通用编程语言。系统功能和构造应用的能力受语言描述能力的限制。系统自封闭，数据交换差，空间数据不能共享。4、应用领域：主要应用在与地图相关的领域。（二）迅速进步阶段（80年代末到90年代初的5-7年）的要特点：1、技术构架：出现了C/S结构多用户的空间数据分布式处理系统，一定程度上实现了空间和属性数据共享。2、数据模型：仍然采用地图数据模型。,GIS与空间数据库的发展（二）,3、数据管理：采用关系数据库管理属性，用文件系统管理空间

21、图形数据。数据操纵能力显著提高，属性数据的完整性、一致性得到保证。具有基本空间操作集和二次开发功能。可有效组织以属性数据为基础并涉及空间数据的处理事务，难以组织以空间数据为基础的处理事务。4、应用领域：GIS应用领域由资源领域向各领域深度和广度扩展。（三）成熟阶段 90年代中后期约10年左右的时间为成熟阶段，新的特点为：1、技术构架：B/S与C/S结合的结构。将数据的管理、业务处理和展现分离，实现广域网上的空间查询和局域网上的空间数据维护。逐步从以系统为中心向以数据为中心过渡。2、实现技术：面向对象的软件构造工具，组件化结构，强大的二次开发功能，模糊了软件平台和应用系统的界限。可采用标准软件开

22、发语言和空间数据处理组件构造个性化的应用系统。3、数据模型：实现一定程度的矢量、图像一体化存储和叠加显示，实现了矢、栅数据的相互转化。,GIS与空间数据库的发展（三）,4、数据管理：在商用关系数据库管理系统中定义新的数据类型，扩展SQL语句的谓词和函数，使关系数据模型向关系对象模型扩展，初步实现空间数据和属性数据的一体化存储和管理，但描述、操纵和表现能力有限。5、应用技术：实现地理信息系统GIS，遥感RS，全球定位系统GPS等3S的集成。（三）成熟阶段 90年代中后期约10年左右的时间为成熟阶段，新的特点为：1、技术构架：B/S与C/S结合的结构。将数据的管理、业务处理和展现分离，实现广域网上

23、的空间查询和局域网上的空间数据维护。逐步从以系统为中心向以数据为中心过渡。2、实现技术：面向对象的软件构造工具，组件化结构，强大的二次开发功能，模糊了软件平台和应用系统的界限。可采用标准软件开发语言和空间数据处理组件构造个性化的应用系统。3、数据模型：实现一定程度的矢量、图像一体化存储和叠加显示，实现了矢、栅数据的相互转化。,GIS与空间数据库的发展（四）,4、数据管理：在商用关系数据库管理系统中定义新的数据类型，扩展SQL语句的谓词和函数，使关系数据模型向关系对象模型扩展，初步实现空间数据和属性数据的一体化存储和管理，但描述、操纵和表现能力有限。5、应用技术：实现地理信息系统GIS，遥感RS

24、，全球定位系统GPS等3S的集成。二、传统GIS的主要特点 传统GIS的特点可简要归纳为：以系统为中心，以地图为基础，二维处理；静态管理；尺度割裂；数据集中。传统GIS尽管在体系结构和技术实现上不断进步，但都沿袭“Tomlinson”的地图数据模型，存在的主要问题还在于地理信息系统软件模型的问题，即如何对地理空间对象及其关系进行抽象、表达、处理、分析和应用的问题。,GIS与空间数据库的发展（五）,Back,三、当代GIS和空间数据库 重心是空间数据模型、空间数据存储和访问，形成独立的空间数据库管理系统。主要特点是面向实体及其关系的组织、存储、查询和处理。在数据组织和处理上应改变以地图为基础的模式，不再将各类空间计算局限在图层范围内，直接面向地理空间对象及其相互间的关系，在人们感兴趣的范围内进行计算。要求当代GIS软件在数据组织、存储、检索和运算等方面发生变革，数据组织应该面向实体，空间位置只是实体的众多属性之一，与其它属性有机组织、统一存放；“关系”概念和“关系运算”应加以扩充，应包括空间关系及其运算；传统的结构化查询语言应该扩充，把空间关系及其查询包含在内；以倒排表为基础的数据库索引机制应扩展，建立至少包括拓扑关系在内的新索引机制；数据存储机制应该适应空间数据提取和计算的要求等。只有实现数据真正的一体化存储和处理，才能自由地、方便地、快速地实现人们所期望的处理功能。,