空间数据库

空间数据库中国地质大学（武汉）信息工程学院郭际元空间数据库1.绪论2.空间现象抽象表达3.空间数据模型4.空间数据组织与管理5.空间索引技术6.空间数据查询、访问7.时态空间数据库8.空间数据元数据与空间数据共享9.空间数据库设计10.空间数据库新发展8.空间数据元数据与空间数据共享8.1空间数据元数据8.2空间数据共享8.1空间数据元数据8.1.1空间数据元数据概念与分类8.1.2空间数据元数据的主要内容8.1.3空间数据元数据的主要作用及功能8.1.4空间数据元数据的标准及实例8.1.5空间数据元数据组织和管理8.1.1空间数据元数据概念与分类空间元数据是“关于数据的数据”；它在地理信息中用于描述地理数据集的内容、质量、表达方式、空间参考、管理方式以及数据集的其它特征，它是实现地理空间信息共享的核心标准之一。Metedata的分类按照Metadata所描述的数据内容，Metadata可分为数据系列Metadata、数据集Metadata、要素类型和要素实例Metadata、属性类型和属性实例Metadata。8.1.2空间数据元数据的主要内容描述空间信息的空间元数据内容按照部分、复合元素和数据元素来组织。8.1.3空间数据元数据的主要作用及功能1．元数据对数据生产者和用户的作用（1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员退休或调离时，也不会失去对数据情况的了解。（2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询、检索地理空间数据。（3）提供通过网络对数据进行查询、检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息。（4）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其要求作出正确的判断。（5））提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。（6）帮助数据所有者查询所需空间信息。比如，它可以按照不同的地理区间、指定的语言以及具体的时间段来查找空间信息资源。2．元数据对地理信息共享的作用从地理信息共享的角度上看，元数据可以为所有用户提供包括数据内容、质量、状态及相关特性的数据编目，并且当数据转换时，元数据可以提供处理和解释数据所必须的必要信息。总之，元数据及其标准为地理信息共享提供了指示路标和入门的钥匙。3．元数据操作工具的作用主要功能：（1）指导用户编写元数据，并把用户编写的元数据输入到元数据库中。（2）提供对元数据的查询、检索功能，提供友好的查询用户界面。（3）实现对元数据的维护、管理以及表示等功能。4．元数据库的作用（1）对各地理信息数据库来说，元数据库的各种信息有助于数据库的维护与管理。（2）对地理信息共享示范来说，信息管理中心主节点的一级元数据及操作工具可以从宏观上引导用户发现所需的信息，提供更详细信息的线索，通过各个分节点的二级数据库进一步了解信息，确定需要获取的数据内容以及获取途径和方法，并支持通过网络传输查询结果。（3）对内部用户来说，通过元数据库及其操作工具，既可查询、检索其他站点的信息，也可维护、管理自己的元数据库。（4）对外部用户来说，通过元数据库及其浏览工具可以发现信息、概括或详细地了解信息，并通过适当途径获取信息。8.1.4空间数据元数据的标准及实例空间数据元数据标准必须建立，这是空间数据标准化的前提和保证，只有建立起规范的空间数据元数据才能有效利用和共享空间数据。目前，空间数据元数据已形成了一些区域性或部门性的标准。8.1.5空间数据元数据组织和管理1．空间数据元数据库元数据描述的最基本数据组织形式是数据集，也可以扩展到数据集系列和数据集内的要素和属性。数据集有一般数据集和空间数据集两种。一般数据集结构比较简单，分为文本文件或二维表，元数据可以描述到文件、数据集系列、数据集或数据项；空间数据集相对比较复杂，一般既有记录空间定位信息的数据文件，又有与该文件连接的属性文件，空间信息之间可能还有拓扑关系。总之，元数据内容繁多，涉及数据集系列、数据集、要素或属性多种类型。此外网络系统中的数据库有简也有繁，简单的可能是一个一般数据集，复杂的可能是多个空间数据库和一般数据集的集合。因此，描述简单的数据集可以以文件的形式，但是复杂的大型数据库则需要建立元数据库。2.空间数据元数据组织GIS应用系统中，对于空间数据、属性数据和知识可以按系统的要求规定适当的层次，如高层元数据可对应数据库，中层元数据可对应表，底层元数据可对应数据项。地理单元实体或属性数据库空间、非空间或知识数据1¼空间、非空间或知识数据m描述数据库文件内容和数据项共性描述个别数据项特性高层元数据中层元数据底层元数据描述个别数据值特性数据值1数据值2数据值n1数据值1数据值2数据值nm¼¼3.空间数据元数据存储元数据存贮有两种形式：其一是以数据集为基础，即每一个数据集有一个对应的元数据文档，每一个元数据文件中包含对相应数据集的元数据内容，如美国地质调查局（USGS）提供的空间数据元数据就是采用这种形式。另一种存在方式是以数据库为基础，一个地理空间数据库有一个元数据文件，该文件为一表格数据，它由若干项组成，每一项表示元数据的一个要素，该文件记录为每一个数据集的元数据内容。数据集A数据集B数据集C数据集D元数据数据库管理层数据用户模式A模式B元数据元数据元数据元数据数据库管理层数据集A数据集B数据集C数据集D4.空间数据元数据管理空间元数据的管理包括对描述数据的空间特征及相关的属性待征静态状况元数据的管理，也包括对数据进行的各种操作（如数据获取、数据处理、数据存储、数据分析、更新等）过程中数据变化的动态元数据的管理。1）地理空间元数据管理模型地理空间数据元数据数据生产者元数据生成元数据库应用项目数据应用软件SQL或API元数据自动生成元数据生成元数据地理相关数据数据用户数据库管理员其他元数据（库）2）NGDC中地理空间元数据管理模型的设计美国国家地理空间数据交换中心（简称NGDC）是一个地理空间信息服务发布系统，其实质是一个将地理空间数据的生产者、管理者及用户通过电子线路连接的分布式网络系统，它除了对地理空间数据信息进行管理和维护外，同时还要维护与之相应的元数据信息（包括制定元数据规范，登记并管理元数据），从而更有效地为地理空间信息用户服务。①提交地理空间数据及其元数据信息；②确认信息；③发出元数据查询请求；④返回元数据查询结果；⑤发出地理空间数据产品需求请求；⑥发行地理空间数据产品。NGDCGIS用户数据生产者②①③④⑤⑥8.2空间数据共享8.2.1空间数据共享标准8.2.2空间数据互操作8.2.3空间数据交换8.2.4地理信息WEB服务8.2.1空间数据共享标准1．SDTS空间数据转换标准2．ISO／TC211地理信息标准3.DIGEST数字图形信息交换标准4．OpenGIS及其规范开放式地理信息系统（OGIS）是由美国开放地理信息联合会（OGC－OpenGISConsortium）制定的开放地理数据互操作规范的简称。按照定义，OGIS为软件开发者提供了一个接口框架，用户可以在一个开放信息技术环境中通过一致的计算接口访问和处理不同来源的地理数据。8.2.2空间数据互操作8.2.3空间数据交换1.空间数据交换概念数据交换是将一种数据格式转换成为另外某种数据格式的技术。在具体的应用和实施过程中，由于空间数据的格式、结构、应用和软硬件的复杂多样性，制定这类标准的难度非常之大。数据格式转换的内容包括三个方面的内容：①空间定位信息，即几何信息，主要是实体的坐标；②空间关系信息，几何实体之间的拓扑或几何关系数据；③属性信息，几何实体的属性说明数据。2.空间数据交换方式1）外部数据交换模式外部数据交换是指直接读写其它软件的内部格式、外部格式或由其转出的某种标准格式，如图8-9所示。它是一种间接数据交换方式，其它数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后，复制到当前系统中的数据库或文件中。这是当前GIS系统数据交换的主要方法，目前国内基本上还是采用这种方法。许多地理信息系统软件为了实现与其它软件交换数据，制定了明码的交换格式，如ESRI公司的Arc/Info的E00格式，ArcView的Shape格式，AutoDesk的DXF、DWG格式，MAPINFO的MIF、MID格式，Intergraph的DNG格式等等。通过这些交换格式可以实现不同软件之间的数据转换。系统A内部文件系统A外部交换文件系统B内部文件系统B外部交换文件2）直接数据访问模式顾名思义，直接数据访问指GIS的商用软件带有大量的数据格式转换工具，通过这些工具直接读取其它格式的数据，实现对其它软件数据格式的直接访问，即把一个系统的内部数据文件直接转换成另一种系统的内部数据文件，如图8-10所示，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。直接数据访问提供了一种更为经济实用的数据交换模式。目前使用直接数据访问模式实现数据交换的GIS软件主要有两个，即：Intergraph推出的GeoMedia系列软件和中国科学院地理信息产业发展中心研制的SuperMap。面对纷繁多样的数据格式，为每一种数据格式都提供直接数据访问在一定时期内是不可能的。此外还必须知道每一个GIS的内部数据结构，这对商用GIS而言是困难的。系统A内部文件系统B内部文件3）基于空间数据转换标准的转换数据交换标准是一种能容纳所有数据模型和结构的标准，所有数据通过这个标准进行转换，但是统一的数据交换标准很难制定。系统A空间数据转换标准系统B4）空间数据互操作模式目前的GIS软件一般都不能直接操纵其它GIS软件的数据，所以需要经过数据转换。而数据互操作模式，是OpenG1Sconsortium（OGC）制定的规范，如图8-12所示。GIS互操作是指在异构数据库和分布计算的情况下，GIS用户在相互理解的基础上，能透明地获取所需的信息。系统A内部文件标准API函数系统B内部文件标准API函数图1-3空间数据互操作模式8.2.4地理信息WEB服务地理信息Web服务是以GIS相关理论和技术支撑为主要基础，以计算机网络及其它通讯设备等基础设施为操作平台，融合了WEB服务、网络计算等最新发展成果，以满足用户地理信息相关需求为核心的地理信息服务理论和技术系统。1.原始数据下载该类型的应用中，服务器和客户端无处理过程。服务器用于传输文件，数据集直接来自GIS，虽然通常直接被打包（如ARC/INFO输出文件）或重新格式化（如重构为标准传输格式，如SDTS和DIGEST）。然后数据集置于便于网络传输的文件系统，通常是FTP或Web（HTTP）服务器。文件组织为文件夹或目录结构。用户可以浏览目录，下载感兴趣的文件，或仅访问一定权限的文件。2.静态地图显示该应用可以浏览预先制作的地图图像。地图图形由GIS或图形软件产生，用栅格或矢量格式保存，可在Internet浏览器上浏览。通常使用GIF或JPEG栅格格式和CGM、DXF、或Shockwave矢量格式，矢量格式要求用户安装浏览器插件。地图图像文件一旦创建，就如其它形式的图形图像一样在Web上分布，在用户浏览器端作为HTML文档或按图像本身显示。3.元数据搜索元数据搜索从根本上是一个数据库查询应用，具备简单的空间查询能力。元数据库由数据组成，这些元数据是对某一个部门的地理信息系统的结构化的描述。每一可供使用的数据集由一条元数据记录描述，该记录包含一套预定义的字段，用于描述数据集的各种特征。一些常见的字段包括主题描述、投影、坐标系统、物理文件格式、数据源和信息准确度以及空间覆盖范围。4.动态地图显示地图不是静态的，而是根据用户选择的参数，如比例尺、位置和专题即兴绘制。地图要么通过DGI网关程序由标准GIS系统（如Mapinfo,Arcinfo）传输，要么由地图发生器产生，该发生器是一个为动态制图特别编写的程序。任一方式中，