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1、第四章 空间数据库第1页，本讲稿共42页本章重点：1.空间数据库的概念空间数据库的概念2.传统的地理数据模型传统的地理数据模型第2页，本讲稿共42页1 数据管理基础知识数据管理基础知识 1、数据库的概念 数据库技术产生于20世纪60年代末期，是计算机领域中最重要的技术之一，是一种按理想的数据管理技术。建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。第3页，本讲稿共42页定义：数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存
2、储、管理和应用的相关联的数据集合。第4页，本讲稿共42页空间数据库与一般数据库相比具有的特点：（1）数据量特别大 （2）不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。（3）数据应用的面相当广，如地理研究、环境保护、土地利用与规划等等。第5页，本讲稿共42页2数据库的主要特征（1）数据集中控制特征（2）数据冗余度小的特征（3）数据独立性特征（4）复杂的数据模型（5）数据保护特征第6页，本讲稿共42页 3数据库的系统结构 数据库是一个复杂的系统，数据的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和用户级。（1）物理级：数据库最内的
3、一层，它是物理设备上实际存储的数据集合。是由物理模式描述的。（2）概念级：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。（3）用户级：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。由外部模式定义。第7页，本讲稿共42页4数据组织方式l 数据项l记录l文件l数据库第8页，本讲稿共42页5、数据间的逻辑联系、数据间的逻辑联系数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。一对一的联系(1：1)一对多的联系(1：N)多对多的联系(M：N)A BAB第9页，本讲稿共42页第二节 传统数据库系统的数据模型数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑数据模型是
4、数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。数据模型的主要任务就是处理数据联系的方式。数据模型的主要任务就是研究记录类型之间的联系。研究记录类型之间的联系。目前数据库领域采用的数据模型有：层次模型、目前数据库领域采用的数据模型有：层次模型、网状模型、关系模型，其中应用最广泛的是关系网状模型、关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。模型。第10页，本讲稿共42页1、层次数据模型是用树型结构来表示实体间联系的模型。它将数据组织
5、成 一对多(或双亲与子女)关系的结构。第11页，本讲稿共42页层次模型由处于不同层次的各个结点组成。除根结点以外，其余各个结点有且仅有一个上一层结点作为其“双亲”，而位于其下的较低一层的若干个结点作为其“子女”。层次模型反映了现实世界中实体间的层次关系，层次结构是众多空间对象的自然表达形式，并有一定程度上支持数据的重构。应用是应注意：1）由于层次结构的严格限制，对任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得低层次对象处理效率较低，并难以进行反向查询。数据的更新涉及许多指针，插入和删除操作也比较复杂。（2）层次命令具有过程式性质，它要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出存贮取
6、路径（3）模拟多对多联系时导致物理存的上冗余（4）数据独立性较差。第12页，本讲稿共42页2、网络模型 网络数据模型是数据模型的另一种重要结构，它反映着现实世界实体间更为复杂的联系，其本质特征是，结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与其他多个结点建立联系。第13页，本讲稿共42页第14页，本讲稿共42页 网状模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。网络模型将数据组织成有向图结构，结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。存在以下问题：1）结构复杂，增加了用户查询和定位的困难。要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自身所处的位置。（2）网状数据操
7、作命令具有过程式性质（3）不直接支持对于层次结构的表达。第15页，本讲稿共42页3、关系模型的基本思想是用二维表表示实体及其联系。二维表、关系模型的基本思想是用二维表表示实体及其联系。二维表中的每一列对应实体的一个属性，叫做域，并给出相应的属性中的每一列对应实体的一个属性，叫做域，并给出相应的属性值，每一行形成一个由多种属性组成的多元组，或称元组值，每一行形成一个由多种属性组成的多元组，或称元组,与一与一实体相对应。实体相对应。第16页，本讲稿共42页第17页，本讲稿共42页关系数据模型的优点关系数据模型的优点（1）能够以简单、灵活的方式表达现实世界中）能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种
8、实体以及相互间关系，使用和维护也很方便。各种实体以及相互间关系，使用和维护也很方便。关系数据模型通过规范化的关系为用户提供一种关系数据模型通过规范化的关系为用户提供一种简单的用户逻辑结构。所谓规范化，实质上就是简单的用户逻辑结构。所谓规范化，实质上就是使概念单一化，一个关系只描述一个概念，如果使概念单一化，一个关系只描述一个概念，如果多于一个概念，就要将其分开来。（多于一个概念，就要将其分开来。（2）关系模）关系模型具有严密的数据基础和操作代数基础型具有严密的数据基础和操作代数基础如关系如关系代数、关系演算等，可将关系分开，或将两个关代数、关系演算等，可将关系分开，或将两个关系合并，使数据的操
9、纵具有高度的灵活性。系合并，使数据的操纵具有高度的灵活性。（3）在关系数据模型中，数据间的关系具有对）在关系数据模型中，数据间的关系具有对称性。称性。第18页，本讲稿共42页关系数据模型的缺点：关系数据模型的缺点：（1）实现效率不够高。）实现效率不够高。（2）描述对象语义的能力较弱。）描述对象语义的能力较弱。（3）不直接支持层次结构）不直接支持层次结构（4）模型的可扩充性较差）模型的可扩充性较差（5）模拟和操纵复杂对象的能力较弱。）模拟和操纵复杂对象的能力较弱。第19页，本讲稿共42页第三节 GIS中空间数据库的组织方式传统数据库系统管理地理空间数据有以下几个方面的局限性传统数据库系统管理地理
10、空间数据有以下几个方面的局限性：（1）管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地）管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理信息数据是连续的，并且具有很强的空间相关性。（理信息数据是连续的，并且具有很强的空间相关性。（2）管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体之间存在的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体之间存在着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系。（着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系。（3）存储的数据）存储的数据通常为等长记录的数据，而地理空间数据通常由
11、于不同空间目标的通常为等长记录的数据，而地理空间数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很大，很复杂。坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很大，很复杂。（4）传统数据库系统只操作和查询文字和数字信息；而空间数据）传统数据库系统只操作和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要有大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠库中需要有大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠加等。加等。第20页，本讲稿共42页目前，大多数商品化的目前，大多数商品化的GIS软件都不是采取传统的某一种单一软件都不是采取传统的某一种单一的数据模型，也不是抛弃传统的数据模型
12、，而是采用建立在关的数据模型，也不是抛弃传统的数据模型，而是采用建立在关系数据库管理系统基础上的综合的数据模型，归纳起来，主要系数据库管理系统基础上的综合的数据模型，归纳起来，主要有以下三种：有以下三种：1、混合结构模型：基本思想是用两个系统分别存储和检索空、混合结构模型：基本思想是用两个系统分别存储和检索空间数据与属性数据，其中属性数据存储在常规的间数据与属性数据，其中属性数据存储在常规的RDBMS中，中，几何数据存储在空间数据管理系统，两个子系统之间使用一种标几何数据存储在空间数据管理系统，两个子系统之间使用一种标识符联系起来。识符联系起来。GISRDBMS几何空间数据第21页，本讲稿共4
13、2页2、扩展结构模型、扩展结构模型 混合结构模型的缺陷是因为两个存储子系统具混合结构模型的缺陷是因为两个存储子系统具有各自的职责，互相很难保证数据存储、操作的有各自的职责，互相很难保证数据存储、操作的统一。扩展结构模型采用同一统一。扩展结构模型采用同一DBMS存储空间存储空间数据和属性数据。做法是在标准的关系数据库上数据和属性数据。做法是在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言转化成标准的询语言转化成标准的SQL查询，借助索引数据查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。优点：省去了空的辅助关系实施空间索引操作。优点：省
14、去了空间数据库和属性数据库之间的繁琐联结，空间数间数据库和属性数据库之间的繁琐联结，空间数据存取速度较快，但由于是间接存取，在效率上据存取速度较快，但由于是间接存取，在效率上总是低于总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查中所用的直接操作过程，且查询过程复杂。询过程复杂。第22页，本讲稿共42页3统一数据模型统一数据模型 是在开放型是在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达基础上扩充空间数据表达功能。功能。第23页，本讲稿共42页第第4节空间数据查询节空间数据查询 空间数据库查询空间数据库查询就是就是根据用户的要求根据用户的要求，从数据库中，从数据库中找出找出符合用户需符合用户需求的求的空间数
15、据子集空间数据子集。空间数据查询功能分为三类：。空间数据查询功能分为三类：空间关系查询空间关系查询：对空间实体间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关：对空间实体间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询，点、线、面实体相互关系系的查询，点、线、面实体相互关系查询查询；ArcView属性数据查询属性数据查询：针对：针对非空间非空间的信息查询。利用的信息查询。利用SQL（Structured Query Language,结构化查询语言）在属性数据中找出满足条件的空间实体；结构化查询语言）在属性数据中找出满足条件的空间实体；MapInfo空间属性联合查询空间属性联合查询：查询条件中既包括查询空间关系，
16、又包含查询属性信：查询条件中既包括查询空间关系，又包含查询属性信息的要求，就是空间属性的联合查询。息的要求，就是空间属性的联合查询。MapInfo第24页，本讲稿共42页点、线、面实体相互关系的点、线、面实体相互关系的9种查询：种查询：1 点点-点查询点查询 查询某点实体查询某点实体给定距离给定距离范围内的其他点实范围内的其他点实体。如体。如200km。步骤：。步骤：(1)激活点图层，选择一个点激活点图层，选择一个点第25页，本讲稿共42页(2)SQL查询（查询（200km以内的其他点）以内的其他点）第26页，本讲稿共42页2 线线-点查询点查询 查询距离某线实体查询距离某线实体一定距离一定距
17、离范围内的点范围内的点实体。如实体。如200km。步骤：。步骤：(1)激活线图层，选择一条线激活线图层，选择一条线第27页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询激活点图层，输入查询条件激活点图层，输入查询条件第28页，本讲稿共42页3 面面-点查询点查询 查询某面实体范围内的点实体。步骤：查询某面实体范围内的点实体。步骤：(1)激活面图层，统一颜色，选择一个面激活面图层，统一颜色，选择一个面第29页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询激活点图层，输入查询条件激活点图层，输入查询条件第30页，本讲稿共42页4 点点-线查询线查询 查询某点实体一定范围内的线实体。步骤：查询某点实体一定范围内的线实体
18、。步骤：(1)激活点图层，选择一个点激活点图层，选择一个点第31页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询激活线图层，输入查询条件激活线图层，输入查询条件第32页，本讲稿共42页5 线线-线查询线查询 查询与某个线实体相连的其他线实体。步骤：查询与某个线实体相连的其他线实体。步骤：(1)激活线图层，选择一条线激活线图层，选择一条线第33页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询输入查询条件输入查询条件第34页，本讲稿共42页6 面面-线查询线查询 查询经过某个面实体的线实体。步骤：查询经过某个面实体的线实体。步骤：(1)激活面图层，选择一个面激活面图层，选择一个面第35页，本讲稿共42页(2)SQL查
19、询查询激活线图层，输入查询条件激活线图层，输入查询条件第36页，本讲稿共42页7 点点-面查询面查询 查询某个点实体被包含在哪个面实体内部。查询某个点实体被包含在哪个面实体内部。步骤：步骤：(1)激活点图层，选择一个点激活点图层，选择一个点第37页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询激活面图层，输入查询条件激活面图层，输入查询条件第38页，本讲稿共42页8 线线-面查询面查询 查询某线实体经过的面实体。步骤：查询某线实体经过的面实体。步骤：(1)激活线图层，选择一条线激活线图层，选择一条线第39页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询激活面图层，输入查询条件激活面图层，输入查询条件第40页，本讲稿共42页9 面面-面查询面查询 查询与某面实体相邻的其他面实体。步骤：查询与某面实体相邻的其他面实体。步骤：(1)激活面图层，选择一个面激活面图层，选择一个面第41页，本讲稿共42页(2)SQL查询查询输入查询条件输入查询条件第42页，本讲稿共42页