CH5空间数据管理.ppt

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1、靖娟利 土木工程系,第五章 空间数据管理,主要内容,主要内容,4、空间数据的组织,1、概述,3、空间数据库管理系统,2、数据库模型,6、空间数据库的设计,5、空间数据索引,5.1 概述,一、数据与数据文件,比特、字节、字、块、桶和卷,5.1 概述,二、数据间的逻辑联系数据间的逻辑联系主要指记录之间的联系。一对一的联系（1:1）一对多的联系(1：N)多对多的联系(M：N),1:1,(1：N),(M：N),5.1 概述,三、常用数据文件顺序文件：对记录按主关键字的顺序进行组织。索引文件：除了存储记录本身（主文件）以外，还建立若干索引表。直接文件：也称随机文件，根据记录关键字的值，通过某种转换方法得

2、到一个物理存储位置，然后把记录存储在该位置上。倒排文件：带有辅索引的文件。,5.2 DB与DBMS,一、数据库（Data Base，DB）概念：是为一定目的服务，以特定的结构存储的相关的数据集合。特点：数据集中控制、冗余度小、数据独立、复杂的数据模型、数据保护。,5.2 DB与DBMS,二、数据库的系统结构,数据库最内的一层；是物理设备上实际存储的数据集合；由物理模式描述。,用户所使用的数据库，是一个或几个特定用户所使用的数据集合，是概念模型的逻辑子集；用外模式定义。,数据库的逻辑表示，包括每个数据的逻辑定义以及数据间的逻辑联系；由概念模式定义。,物理级,用户级,概念级,5.2 DB与DBMS

3、,三、数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）DBMS：是处理数据库存取和各种管理控制的软件；是DB的中心枢纽，与各部分有密切联系。DBMS的功能：数据库定义、管理、维护、通讯DBMS的组成：语言处理程序、系统运行控制程序、建立和维护程序DBA：掌握数据库全面情况并作为数据库设计和管理骨干的人；主要功能是建立和维护数据,5.3 数据库模型,数据模型：描述数据内容和数据之间联系的工具，是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。传统数据模型：层次模型、网络模型、关系模型面向对象模型：,5.3 数据库模型,一、传统数据模型（1）层次模型：是一种树结构模型，把数据按自

4、然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。优点：简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据重构。,层次模型,5.3 数据库模型,（2）网络模型：将数据组织成有向图结构，结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。优点：在一定程度上支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。,网络模型,5.3 数据库模型,（3）关系模型将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，亦称关系。表的行叫元组，相当于一个记录，表的列叫属性。所有的元组都是同质的，即有相同的属性项。优点：方式简单、灵活，支持数据重构；具有严格的数学基础，具有一定的演绎功能；关系操作和演算具有非过程式特点。,

5、5.3 数据库模型,传统数据模型存在的主要问题,层次模型,关系模型,网状模型,局限性：很难描绘复杂地理实体之间的联系；查询必须从层次结构的根结点开始，很难进行反向查询；数据独立性较差；命令具有过程式性质；基本不具备演绎功能和操作代数基础。,局限性：无法用递归和嵌套方式描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象能力较弱；描述具有复杂结构和涵义的地理对象时，语义不堪合理；运行效率不够高。,局限性：查询定位困难；命令具有过程式性质；不直接支持对于层次结构的表达；基本不具备演绎功能和操作代数基础。,5.3 数据库模型,二、面向对象模型（1）基本概念对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为

6、是数据和行为的统一体。（如一个城市、一棵树均可作为地理对象。）具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态；具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。,5.3 数据库模型,类：共享同一属性和方法集的所有对象的集合。（如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。）实例：被抽象的对象，类的一个具体对象。如长江、黄河等。（真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。）类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。类-申请实例-成为具体对象。方法：对一个

7、类定义的所有操作。消息：对象之间的请求和协作。（并不独立存在）对象之间的关系，如点某按纽，就是对按纽提出请求。,5.3 数据库模型,（2）面向对象的特性,是对现实世界的简明表示。形成对象的关键是抽象，对象是抽象思维的结果。,是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。同一消息，对不同对象，功能不同。,将方法与数据放于一对象中，以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行（指把对象的状态及其操作集成化，使之不受外界影响）。,抽象,多态,封装,5.3 数据库模型,（3）四种核心技术,分类是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。（instance-of）,分类,

8、概括,联合,聚集,将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。(is-a),聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。(parts-of),相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合。member-of),5.3 数据库模型,（4）面向对象数据模型的核心工具,核心工具,传播,是作用于联合和聚集的工具，它通过一种强制手段将子目标的属性信息传播给复杂对象。成员对象的属性只存储一次，保证数据一致性和减少冗余。如桂林市总人口，由存储在各成员对象中的各区人口总和。,一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，它服务于概括,分为单重继承和

9、多重继承。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。,继承,5.3 数据库模型,（5）面向对象数据模型的特点,可充分利用现有数据模型的特点,1,2,3,具有可扩充性,可以模拟和操纵复杂对象,5.4 空间数据库管理系统,一、基本概念（1）空间数据库：指GIS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。（2）空间数据特征:1）空间特征：一般需要建立空间索引。2）非结构化特征：结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原子数据.而空间数据数据项为变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。3）空间关系特征：拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。4）分类编码特

10、征：一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。5）海量数据特征。,5.4 空间数据库管理系统,空间数据库特点：1）数据量特别大；2）数据种类多，复杂；3）数据应用面相当广。空间数据库管理系统：1）是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义；2）提供必须的空间数据查询、检索和存取功能；3）能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。,5.4 空间数据库管理系统,二、传统数据库与空间数据库的比较,5.4空间数据库管理系统,三、现行空间数据库管理方案,文件与关系式,对象关系式,关系式数据库,5.4 空间数据库管理系统,（1）文件与关系式混合管理方

11、案属性数据建立在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。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。早期代表性GIS：ArcInfo的Coverage文件管理近年代表性GIS：ArcInfo，ArcView的Shape File文件管理，MapInfo的Tab文件,Coverage,ArcInfo、ArcView的Shape File,MapInfo的Tab文件,5.4 空间数据库管理系统,（2）全关系式数据库管理方案属性数据、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，数据存取较快属性间接存取，效率比DBMS的直接存取慢

12、，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作代表性GIS：ArcInfo的GeoDatabase(Spatial Database Engine,SDE),Geodatabase,5.4 空间数据库管理系统,（3）对象关系数据库管理方案对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型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代表性系统：Oracle Spatial,ArcInfo的空间数据库 GeoDatabase,Geodatabase要素数据集,Geodatabase要素类,5.5 空间数据组织,

13、一、图幅内空间数据的组织工作区：研究区图幅的范围 工作层：空间数据处理的一个工作单元 逻辑层：逻辑层可以包含任意多个地类 地物类：类型相同的地物,5.5 空间数据组织,二、属性数据的组织一般由关系数据库管理系统（DBMS）管理，但文件组织方式随GIS软件而异。,5.6 空间索引,空间索引机制是实现空间数据快速查询检索的重要手段，也是海量空间数据管理所必须的。空间索引是一个层次结构。,空间索引的层次结构,5.6 空间索引,一、工作区索引 对于海量数据来讲，由于图层的范围过大，不便于数据操作，因此还需要分成若干个工作区。并建立一个工程和它包含的工作区之间的空间索引。通过一个记录每个工作区的范围的空

14、间坐标的空间索引文件，就可以建立工程与工作区的关系。建立了这样的索引文件后，用户可以在工程管理界面下，开窗任意进入某一个、或几个工作区。,工作区索引,5.6 空间索引,二、目标索引工作区索引可以看成是最粗一级的空间索引。在图形操作中，对无缝图层来讲，一般在一个工作区的空间数据的数据量较大，为了实现快速的查询，还需要建立地物与用于屏幕操作的鼠标的屏幕坐标之间的索引。常用方法：对象范围索引格网索引四叉树索引R树和R+树索引,5.6 空间索引,（1）对象范围索引,5.6 空间索引,（2）格网索引将工作区按一定的规则划分成格网记录每个格网内所包含的空间对象将格网按Morton码进行编码,5.6 空间索

15、引,（3）四叉树索引线性四叉树 采用Morton码编码（Peano键）根据空间对象覆盖范围，进行四叉树分割 建立Peano键与空间目标的索引关系,5.6 空间索引,层次四叉树 记录中间节点和父节点到子节点的指针 若某个记录覆盖了哪一个中间节点，还要记录该空间对象的标识,5.6 空间索引,（4）R树索引设计一些虚拟的矩形目标，将一些空间位置相近的目标，包含在这个矩形内，虚拟的矩形作为空间索引，含有包含空间对象的指针。,5.6 空间索引,（5）R+树索引允许虚拟矩形相互重叠，并允许一个空间目标被多个虚拟矩形所包含。,5.6 空间数据库设计,空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数

16、据库的整个过程。,5.6 空间数据库设计,一、需求分析需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，主要进行以下工作：调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。,5.6 空间数据库设计,二、结构设计指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加

17、以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。,5.6 空间数据库设计,物理模型,逻辑模型,概念模型,是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。,逻辑模型的设计是将概念模型结构转换转换为具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构(或外模式)，包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。,是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出地理数据库的存储模式(内模式)。主要内容包括确定记录存储格式，选择文件存储结构，决定存取路径，分配存储空间。,5.6 空间数据库设计,三、数据

18、层设计GIS的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的。同类型的数据由于其应用功能相同，在分析和应用时往往会同时用到，因此在设计时应反映出这样的需求，即可将这些数据作为一层。（如道路、加油站、停车场交通层）最后得出各层数据的表现形式，各层数据的属性内容和属性表之间的关系等。,5.6 空间数据库设计,四、数据字典设计数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标准规范，它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建立、维护和更新。数据字典的内容包括：数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层详细内容的定义及结构、数据命名的定 义、元数据等内容。,小结,本章主要讨论了数据库模型、现行的空间数据管理方案、空间数据的组织、空间索引、空间数据库设计等内容。,重点掌握数据库模型的特点、现行空间数据管理方案、空间数据组织等内容。,习题,1什么是数据库？它有什么特点？2数据库主要有哪几个主要的结构成分？3数据库是如何组织数据的？4DBMS的作用是什么？5地理实体如何存放在数据库里？6请简要说明层次模型、网状模型、和关系模型的结构特点。7对象数据模型有什么特点？8如何设计空间数据库？,