第五章空间数据库

(GeographicInformationSystems)第五章GIS空间数据库第一节数据库概述一、数据库的定义•数据库是按照一定结构组织的相关数据的集合，是在计算机存储设备上合理存放的相互关联的数据集。•计算机对数据的管理经过了三个阶段—最早的程序管理阶段，后来的文件管理阶段，现在的数据库管理阶段。数据库和传统数据管理的差异•数据独立于应用程序而集中管理，实现了数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益；•在数据间建立了联系，从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系。二、数据库的主要特征•数据集中控制特征•数据冗余度小的特征•数据独立性特征•复杂的数据模型•数据保护特征1、数据集中控制特征•在文件管理方法中，每个用户或每种处理都有各自的文件，不同的用户处理的文件一般是没有联系的，因而就不能为多用户共享，也不能按照统一的方法来控制、维护和管理。•数据库集中控制和管理有关数据，以保证不同用户和应用可以共享数据。数据集中并不是把若干文件“拼凑”在一起，而是要把数据“集成”。2、数据冗余度小的特征•冗余是指数据的重复存储。•冗余数据的存在有两个缺点：•一是增加了存储空间；•二是易出现数据不一致。3、数据独立性特征•数据独立是指数据库中的数据与应用程序相互独立，即应用程序不因数据性质的改变而改变；数据的性质也不因应用程序的改变而改变。•数据独立分为两级：物理级和逻辑级。•物理独立是指数据的物理结构变化不影响数据的逻辑结构；•逻辑独立意味着数据库的逻辑结构的改变不影响应用程序。4、复杂的数据模型•数据模型能够表示现实世界中各种各样的数据组织以及数据间的联系。采用数据模型是数据库方法与文件方式的一个本质差别。•数据库常用的数据模型有三种：层次模型，网络模型和关系模型。因此，根据使用的模型，可以把数据库分成：层次型数据库，网络型数据库和关系型数据库。5、数据保护特征•数据库中的数据遭到破坏，就会影响数据库的功能，甚至使整个数据库失去作用。•数据保护主要包括四个方面的内容：安全性控制、完整性控制、并发控制、故障的发现和恢复。三、数据库的基本结构•物理级：数据库最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集合(物理数据库)。它是由物理模式(也称内部模式)描述的。•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。它是由概念模式定义的，这一级也被称为概念模型。•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(外部模型)，是概念模型的逻辑子集。它由外部模式定义。四、数据组织方式•数据项•记录•文件•数据库。1、数据项•是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。数据项与现实世界实体的属性相对应，数据项有一定的取值范围，称为域。域以外的任何值对该数据项都是无意义的。每个数据项都有一个名称，称为数据项目。数据项的值可以是数值的、字母的、汉字的等形式。数据项的物理特点在于它具有确定的物理长度，一般用字节数表示。2、记录：•由若干相关联的数据项组成。对大多数据库系统，记录是处理和存储信息的基本单位。记录是关于一个实体的数据总和，构成该记录的数据项表示实体的若干属性。•为了唯一标识每个记录，就必须有记录标识符，也叫关键字。记录标识符一般由记录中的第一个数据项担任，唯一标识记录的关键字称主关键字，其它标识记录的关键字称为辅关键字。3、文件：•文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。文件用文件名称标识。•文件根据记录的组织方式和存取方法可以分为：顺序文件、索引文件、直接文件和倒排文件等等。4、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。五、数据间的逻辑联系1、一对一的联系2、一对多的联系(1：N)3、多对多的联系(M：N)概念•数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。记录是表示现实世界中的实体的。数据之间的逻辑联系主要有三种：•1、一对一的联系•2、一对多的联系(1：N)•3、多对多的联系(M：N)1、一对一的联系：地理名称与对应的空间位置之间的关系就是一种一对一的联系ABAB一对一的联系（1：1）2、一对多的联系行政区划就具有一对多的联系，一个省对应有多个市，一个市有多个县，一个县又有多个乡。ABAB一对多的联系(1：N)3、多对多的联系•多对多在数据库中不能直接表示出来，必须经过某种变换，使其分解成两个1：N的联系来处理。•地理实体中的多对多联系是很多的，例如土壤类型与种植的作物之间有多对多联系。同一种土壤类型可以种不同的作物，同一种作物又可种植在不同的土壤类型上。ABAB多对多的联系(M：N)第2节GIS空间数据库的概念空间数据库空间数据库管理系统空间数据库的应用系统第2节GIS空间数据库的概念一、空间数据库的概念地理信息系统的数据库简称空间数据库或者地理数据库。1.定义：是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。书刊数据逻辑划分词句段目节章数据项、记录、文件和数据库物理划分字行页期卷比特、字节、字、块、桶和卷数据库的三个基本部分构成：1）数据集2）物理存储介质（计算机内外存储器）3）数据库软件（其核心为数据库管理系统）一、空间数据库的概念2.空间数据的特征：1）时空间特征，实体的几何特征及其与其他实体的空间关系，同时还具有阶段性、周期性、顺序性及不可逆的时间变化特征2）多维结构特征，不仅能描述空间三维和时间维，还可以表现空间目标的属性以及数据不同的观测方法、不同来源、不同载体等多维信息3）多尺度特征，地理过程具有尺度特征，不同尺度表达地理过程或现象的信息密度差异很大4）不确定性特征，是信息源没有完全表达的程度，包含误差和难以观察的要素5）海量性特征，空间和属性数据源多样，且更新快，数据量大第2节GIS空间数据库的概念一、空间数据库的概念3.空间数据库的特点：1）数据量特别大2）数据种类多，复杂3）数据应用面相当广由于空间数据的空间特性，在建立地理空间数据库时，1）遵循和应用通用的数据库的原理和方法；2）解决其他数据库所没有的问题。第2节GIS空间数据库的概念二、空间数据库的管理系统——一般由专业GIS软件提供数据库的管理系统（DBMS）是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。它是数据库系统的核心。DBMS的功能：1）数据库定义功能：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）数据库管理功能：提供必须的空间数据查询、检索和存取功能；3）数据库的维护功能：能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。三、空间数据库的应用系统——一般需要进行二次开发提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是因用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件。第2节GIS空间数据库的概念空间数据管理适用的行业和人群•司机最近加油站在哪，附近有没有餐馆（GPS）•军队指挥家敌军动向(电子沙盘)•公司供货经理新的物流仓库和零售店应建在什么地方(选址)•环境专家该地区的总体环境评价(多因素多因子空间叠置分析)•交通专家路网建设怎样能改善交通状况(网络分析)•应急服务求助人的位置?最佳路线怎么走(最短路径分析)•停车场附近有哪些停车场,有多少空位(GPS+LBS)•突发公共卫生事件感染源在哪里?带有5000m缓冲的隔离区,发生原因及趋势(空间自相关空间分析)•……空间数据库能做什么空间数据库典型实例卫星影像存储，要求（时间序列，大存储量）（NASA,QuickBird,GoogleEarth,GoogleMap）车辆GPS监管土地部门规划管理传统数据库列出连云港市销售额最高的十家苏果分店空间数据库列出淮工附近1000ｍ范围内的所有超市找出连云港市内附近500m内有学校的所有售房空间数据库的优势•统一的数据格式标准•查询功能和效率强大•海量空间数据存储•安全机制•空间操作现有空间数据库简介ESRIPersonaldatabase(mdb)SDE(sdefororacle|mysql|sqlserver)OraclespatialMysqlspatialPostgreSQL+PostGIS……数据库设计，就是把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。具体讲，对于一个给定的应用环境，提供一个确定最优数据模型与处理模式的逻辑设计，以及一个确定数据库存储结构与存取方法的物理设计，建立能反映现实世界信息和信息联系，满足用户要求，能被某个DBMS所接受，同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库空间数据库的设计，是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。主要包括需求分析、结构设计和数据层设计三部分。第3节空间数据库设计一、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：1.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2.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3.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第3节空间数据库设计一、需求分析在需求分析阶段完成数据源的选择和对各种数据集的评价1.数据源的选择一个实用GIS系统的开发，其数据库开发的造价占整个系统造价的70%—80%，所以数据库内数据源的选择对整个系统格外重要数据来源有：地图、遥感影象、GPS数据及已有数据2.对各种数据集的评价GIS数据来源多种，质量不同，需要评价。从以下三个方面进行：数据的一般评价：数据是否为电子版、是否为标准形式、是否可直接被GIS使用、是否为原始数据、是否是可替代数据、是否与其他数据一致(区域范围、比例尺、投影方式、坐标系等)数据的空间特性：包括空间特征的表示形式是否一致(如GPS点、大地控制测量点等)空间地理数据的系列性(不同地区信息的衔接、边界匹配问题等)属性数据特征的评价：包括属性数据的存在性、属性数据与空间位置的匹配性、属性数据的编码系统及属性数据的现势性等。第3节空间数据库设计二、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。空间数据模型越能反映现实世界，在此基础上生成的应用系统就越能较好地满足用户对数据处理的要求。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现实世界地理实体逻辑模型物理模型概念模型需求分析结构设计第3节空间数据库设计二、结构设计1.概念设计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的过程。具体过程是，对所收集的信息和数据进行分析、整理，确定实体、属性及其联系，形成独立于计算机的反映用户观点的概念模式。概念模式与具体的DBMS无关，结构稳定，能较好地反映用户的信息需求。表示概念模型最有力的工具是E-R模型，包括实体、联系和属性三个基本成分市区要素市区要素空间实体属性空间实体关系E-R模型走向街道组成m1边线路面质量所属路段所属街道长度等第3节空间数据库设计二、结构设计2.逻辑设计，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)，主要包括确定：确定数据项、记录及记录间的联系安全性完整性一致性约束。导出的逻辑结构是否与概念模式一致，能否满足用户要求，还要对其功能和性能进行评价，并予以优化从E—R模型向关系模型转换的主要过程为：①确定各实体的主关键字；②确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式，即某一数据项决定另外的数据项；③把经过消冗处理的数据关系表达式中的实体作为相应的主关键字④根据②、③形成新的关系。⑤完成转换后，进行分析、评价和优化。第3节空间数据库设计三、物理设计物理设计，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