第六章 空间数据管理

空间数据管理本章主要内容：空间数据库、与一般数据库的比较空间数据库的存储方式。GIS中两种重要的数据结构：栅格和矢量空间索引1.空间数据库1.1GIS与一般管理信息系统的比较(一)两者区别在硬件上在软件上在信息处理的内容和采用目的方面为了处理图形和图像数据，系统需要配置专门的输入和输出设备。如数字化仪、绘图机、图形图像的显示设备等要求研制专门的图形和图像数据的分析算法和处理软件，这些算法和软件又直接和数据的结构及数据库的管理方法有关1.空间数据库1.1GIS与一般管理信息系统的比较(一)两者区别在硬件上在软件上在信息处理的内容和采用目的方面一般的管理信息系统，主要是查询检索和统计分析，处理的结果，大多是制成某种规定格式的表格数据，而地理信息系统，除了基本的信息检索和统计分析外，主要用于分析研究资源基于空间的合理开发利用，输出形式除表外，还有大量的各种专题图1.空间数据库1.1GIS与一般管理信息系统的比较(二)两者共同处以计算机为核心的信息系统具有数据量大和数据关系复杂的特点和数据库技术的发展同发展。1.空间数据库1.2空间数据库(一)数据库概念数据库：以特定的数据存储的相关联的数据集合，它是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。地理信息数据库（空间数据库）：是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合。1.空间数据库1.2空间数据库数据库和图书馆的类比数据库图书馆数据图书数据模型书卡编目数据的物理组织图书存放规则、书架数据库管理系统图书管理员外存书库用户读者数据存取图书借阅1.空间数据库1.2空间数据库(二)空间数据库特点数据量特别大；NASA的对地观测系统（EOS）每天要产生1TB的数据1megabyte1000000Singledatasetinasmallprojectdatabase1gigabyte1000000000Entirestreetnetworkofalargecityorsmallcountry1terabyte1000000000000ElevationofentireEarthsurfacerecordedat30mintervals1petabyte1000000000000000SatelliteimageofentireEarthsurfaceat1mresolution1exabyte1000000000000000000Afuture3-DrepresentationofentireEarthat10mresolution1.空间数据库1.2空间数据库不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据；数据应用广泛；位置属性1.空间数据库1.2空间数据库(三)数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，DBMS）数据库：是存贮在计算机内的有结构的数据集合；数据库管理系统：是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作；数据库系统：指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统1.空间数据库1.2空间数据库SoftwareDeveloperDatabaseAdministratorDatabaseManagementSystem(DBMS)DevelopmentToolsandApplicationProgramsEndUserUserInterfaceandMiddlewareDatabaseEngine/ServerDatabaseDataFilesDataDictionaryIntegrityRulesStoredProceduresDataModelDatabaseSchemaProblemSpaceDataFilesDataFilesDataFilesDataFiles1.空间数据库1.2空间数据库(三)数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，DBMS）在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。DBMS的最大优点是提供了两者之间的数据独立性ZoningDataFilesBuildidngPermitDataFilesAssessmentDataFilesApplicationPrograminPL/1ApplicationPrograminPL/1ApplicationPrograminCOBOLApplicationPrograminCOBOL(a)File-baseddataprocessingDatabaseManagementSystem(DBMS)DatabaseDataFilesIntegrityRulesStoredProceduresDatabaseEngine/ServerUserInterfaceUserInterface(b)IntegrationofdatafilesandprocessingproceduresinaDBMSZoningReportZoningReportBuildingPermitBuildingPermitAssessmentNotificationAssessmentNotificationPropertyTaxInvoicePropertyTaxInvoiceUserInterfaceOtherApplicationsOtherApplicationsOtherApplications1.空间数据库1.2空间数据库(四)数据库模型数据库模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。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模型。1.空间数据库1.2空间数据库层次模型它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织1.空间数据库1.2空间数据库以地图M为例：地图M中有两个面实体ⅠⅡⅠ多边形由a,b,e组成MⅡ多边形由b,c,d组成1aa边的两个端点是1，2eⅠ2b边的两个端点是2，44bcc边的两个端点是2，3dⅡd边的两个端点是3，43e边的两个端点是1，41.空间数据库1.2空间数据库MIIIabebd1224142423c34层次模型1.空间数据库1.2空间数据库层次模型的优点：存取方便且速度快结构清晰，容易理解数据修改和数据库扩展容易实现检索关键属性十分方便基础。1.空间数据库1.2空间数据库层次模型的缺陷：很难描述复杂的地理实体之间的联系（多对多）；　查询效率低，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；　数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂；　层次命令具有过程式性质，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数据的存取路径；　基本不具备演绎功能和操作代数网络模型网络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。MIIIcdeba1234网络模型1.空间数据库1.2空间数据库网络数据库模型优点：能明确而方便地表示数据间的复杂关系数据冗余小网络数据库模型缺陷：由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；　网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题；　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。1.空间数据库1.2空间数据库关系数据库模型关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。1.空间数据库1.2空间数据库多边形号(P)边号(E)边长边号(E)起结点号(SN)终结点号(EN)结点号(N)XYⅠⅠⅠabc304030abcde1223424341123419.838.626.79.534.225.08.215.7ⅡⅡⅡbcd4025281.空间数据库1.2空间数据库关系模型的优点：结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求能搜索、组合和比较不同类型的数据增加和删除数据非常方便对属性数据可以很好的管理1.空间数据库1.2空间数据库关系模型的缺陷：无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构；描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高。1.空间数据库1.2空间数据库关系模型的缺陷（续）：空间数据通常是变长的，而关系模型中只允许记录的长度设定为固定长度，此外，难于存储和维护空间数据的拓扑关系。难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。不能支持GIS需要的一些复杂图形功能。难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息。1.空间数据库1.2空间数据库(五)采用标准DBMS存储空间数据的主要问题空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作不能支持复杂的图形功能单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护1.空间数据库1.2空间数据库（六)GIS数据管理方法主要4种类型GIS应用软件GIS应用软件空间及属性数据文件GIS应用软件GIS应用软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库GIS应用软件GIS应用软件空间及属性数据库用户设计的数据库GIS应用软件GIS应用软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS1.空间数据库1.2空间数据库文件关系数据库混合管理方案几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言1.空间数据库1.2空间数据库扩展关系数据库管理方案GIS界面空间数据处理RDBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）1.空间数据库1.2空间数据库基于中间件的全关系数据库管理方案GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）RDBMS空间数据库关系表二进制块中间件（空间数据引擎）1.空间数据库1.3数据与文件组织(一)数据组织分级数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项记录文件数据库是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。1.空间数据库1.3数据与文件组织(一)数据组织分级数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项记录文件数据库由若干相关联的数据项组成。1.空间数据库1.3数据与文件组织(一)数据组织分级数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项记录文件数据库文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。1.空间数据库1.3数据与文件组织(一)数据组织分级数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项记录文件数据库数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。1.空间数据库1.3数据与文件组织数据库文件文件文件。。。。。。记录记录记录记录。。。。。。。。。。。。。。数据项数据项数据项数据项数据项1.空间数据库1.3数据与文件组织(二)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