空间数据库_中国地质大学(武汉)

1空间数据库郭际元周顺平刘修国编著中国地质大学(武汉)信息工程学院2前言空间数据库(地图数据库)是地理信息系统的重要组成部分，因为地图是地理信息系统的主要载体。地理信息系统是一种以地图为基础，供资源、环境以及区域调查、规划、管理和决策用的空间信息系统。在数据获取过程中，空间数据库用于存贮和管理地图信息；在数据处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。然而，地理与地图数据以其惊人的数据量与空间相关的复杂性，使得通用的数据库系统难以胜任。为此，就要用当代的系统方法，在地理学、地图学原理的指导下，对地理环境进行科学的认识与抽象，将地理数据库化为计算机处理时所需的形式与结构，形成综合性的信息系统。目前，已形成商品的GIS系统中，多数是基于二维地图数据上进行存储、处理和分析。随着GIS应用领域的不断扩大，应用功能的不断增强，系统对空间数据的要求也越来越高。因此，传统GIS中空间数据库的管理能力已不能满足当前GIS对空间数据管理的需要。现今，GIS业内人士在空间数据库的研究上正在进行新的探索和尝试，以求得能满足GIS各种需要的空间数据的管理模式和数据模型。例如，三维空间数据模型、时态GIS空间数据模型、空间数据关系化模型、网络GIS空间数据模型等。本教材主要是围绕GIS系统中各种空间数据的管理模式和数据模型予以介绍，其中包括传统GIS系统中用到的各种数据模型，例如矢量数据模型、栅格数据模型、符号库、海量空间数据3的管理等；同时也对上述的GIS专业人员正在研究的一些新的数据模型进行了叙述；教材中还融入了我院近年的部分科研成果。通过本教材的学习，读者既可以掌握已成熟的空间数据库的管理模式和数据模型，也可以了解当前空间数据库的最新动态和发展趋势。本教材是在2001年编写的《空间数据库》讲义的基础上，经过三年的教学实践，在广泛征求意见的前提下，进行第三次修编的。在教材的编写过程中，始终得到吴信才教授的关心和指导，并为本教材编写的指导思想和内容组织提出建议；谢忠教授也为本教材提出了修改意见，在这里向他们表示感谢。由于本书的很多内容正处于研究探索之中，再加上我们水平有限，编写时间仓促，所以书中错误在所难免，欢迎同行专家和读者批评指正。作者2004年5月12日4目录第一章数据库概述……………………………………1§1.1数据库的概念…………………………………………1§1.2数据模型………………………………………………3§1.3数据库设计的三个步骤………………………………17§1.4新型数据库系统………………………………………26§1.5空间数据挖掘技术及应用……………………………41习题……………………………………………………49第二章矢量地图数据库………………………………………50§2.1地图数据模型总论……………………………………50§2.2矢量数据模型…………………………………………57§2.3空间索引…………………………………………63习题…………………………………………………………87第三章栅格地图数据库………………………………………88§3.1栅格数据的基本概念…………………………………88§3.2栅格数据的组织与存储………………………………89§3.3栅格数据库的检索……………………………………99§3.4海量影像数据库……………………………………101习题…………………………………………………………103第四章地图符号库…………………………………………104§4.1地图符号库概述……………………………………104§4.2地图符号数据结构…………………………………107§4.3地图符号的显示……………………………………109习题…………………………………………………………114第五章三维空间数据模型…………………………………115§5.1空间维数讨论………………………………………1155§5.2空间构模技术分类…………………………………117§5.3基于面模型的准3D空间构模…………………118§5.4基于体模型的真3D空间构模…………………120§5.5基于面-体混合的3D空间构模…………………138§5.6三维空间拓扑关系………………………………141习题…………………………………………………………145第六章海量空间数据组织与管理…………………………146§6.1数据库中图幅的组织方法…………………………147§6.2图幅间被分割目标的组织方法……………………147§6.3跨图幅地图漫游……………………………………149习题…………………………………………………………152第七章时态GIS数据库…………………………………154§7.1地理信息的时态性分析……………………………154§7.2时态GIS数据模型…………………………………156§7.3时态GIS实现方法…………………………………158§7.4元组级基态修正法…………………………………161习题…………………………………………………………164第八章空间数据的关系化管理……………………………165§8.1基于关系数据库的空间数据模型…………………165§8.2基于关系数据库的空间实体数据结构……………167§8.3空间数据访问模型…………………………………169§8.4关系化空间数据的安全管理………………………170§8.5大型关系型数据库管理系统分布式体系结构的应用………………………………………………………172习题…………………………………………………………173第九章网络GIS空间数据管理……………………………174§9.1网络GIS主要构造模型……………………………1756§9.2分布式地理信息共享形式…………………………183§9.3分布式空间数据管理技术…………………………188§9.4网络GIS中地理空间元数据管理…………………194习题……………………………………………………………204参考文献………………………………………………………2057第一章数据库概述§1.1数据库的概念数据库的英文是DATABASE，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理数据的基地。这有些类似资料库，实际上资料库的许多特征都可以从数据库中找到。在资料库中，各类资料都有严格的分类系统和编码表，并存放在规定的资料架上，为管理和查找资料提供了极大的方便。当资料的数据形式存放于计算机时，它已经失去直观性，更需要建立严密的分类和编码系统，实现数据的标准化和规范化。一、数据管理的文件方式数据库系统是运用计算机技术管理数据的最新成就，在这之前，计算机数据管理经历了文件管理方式时期，亦称为文件管理系统，它包含在计算机的操作系统中。文件方式是把数据的存取抽象为一种模型：使用时只要给出文件名称、格式和存取方式等，其余的一切组织与存取过程由专用软件——文件管理系统来完成（见图1-1-1）。应用程序文件管理系统数据文件P1F1P2FMSF2┆┆PnFn图1-1-1文件管理系统8文件管理系统的特点是：1．数据文件是大量数据的集合形式。每个文件包含有大量的记录，每个记录包含若干个甚至多达几十个以上的数据项。文件和文件名面向用户并存贮在计算机的贮存设备上，可以反复利用。2．面向用户的数据文件，用户可通过它进行查询、修改、插入、删除等操作。3．数据文件与对应的程序具有一定的独立性，即程序员可以不关心数据的物理存贮状态，只需考虑数据的逻辑存贮结构，从而可以大量地节省修改和维护程序的工作量。4．数据文件的缺点是只能对应于一个或几个应用程序，不能摆脱程序的依赖性。数据文件之间不能建立关系，呈现出无结构的信息集合状态，往往冗余度大，不易扩充，维护和修改。二、数据库系统管理数据方式数据库管理系统(DBMS)是在文件管理系统的基础上进一步发展的系统。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。即应用程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存贮结构。当数据文件的存贮结构改变时，不必改变应用程序（见图1-1-2）。数据库管理系统的特点可概括如下：1．数据管理方式建立在复杂的数据结构设计的基础上，将相互关联的数据集一文件并赋于某种固有的内在联系。各个相关文件可以通过公共数据项联系起来。2．数据库中的数据完全独立，不仅是物理状态的独立，而且是逻辑结构的独立，即程序访问的数据只需提供数据项名称。3．数据共享成为现实，数据库系统的并发功能保证了多个用户可以同时使用同一个数据文件，而且数据处于安全保护状态。4．数据的完整性，有效性和相容性保证其冗余度最小，有9利于数据的快速查询和维护。应用程序数据库管理员的物理数据库的逻辑文件全面逻辑数据描述局部全局逻辑观点逻辑观点逻辑数据物理数据变换变换图1-1-2数据库系统三、数据库系统的构成综合上述，我们可以把与数据库有关的几个概念理解为：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。§1.2数据模型数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。数据模型是一组描述数据库的概念。这些概念精确地描述数据、数据之间的关系、数据的语义和完整性约束。很多数据模型还包括一个操作集合。这些操作用来说明对数据库的存取和更新。数据模型应满足三方面要求：一是能真实地模拟现实世界；二是容易为人们理解；三是便于在计10算机上实现。数据库设计的核心问题之一就是设计一个好的数据模型。目前在数据库领域，常用的数据模型有：层次模型、网络模型、关系模型以及最近兴起的面向目标模型。下面以两个简单的空间实体为例(图1-2-1)，简述这几个数据模型中的数据组织形式及其特点。M1ae2b4Ⅱcd3图1-2-1地图M及其空间实体ⅠⅡ一、层次模型层次数据库模型是将数据组织成一对多(或双亲与子女)关系的结构，其特点为：(1)有且仅有一个结点无双亲，这个结点即树的根；(2)其它结点有且仅有一个双亲。对于图1-2-1所示多边形地图可以构造出图1-2-2所示的层次模型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。例如全国—省—县—乡是一棵十分标准的有向树，其中“全国”是根节点，省以下的行政区划单元都是子节点。这种数据模型的优点是层次和关系清楚，检索路线明确。层次模型不能表示多对多的联系，这是令人遗憾的缺陷。在GIS中，若采用这种层次模型将难以顾及公共点，线数据共享和实体元素间的拓扑关系，导致数据冗余度增加，而且给拓扑查询带来困难。11MⅠⅡabebcd122414242334图1-2-2层次模型二、网络模型在网络模型中，各记录类型间可具有任意连接的联系。一个子结点可有多个父结点；可有一个以上的结点无父特点；父结点与某个子结点记录之间可以有多种联系(一对多、多对一、多对多)。图1-2-3是图1-2-1的网络模型。网络数据库结构特别适用于数据间相互关系非常复杂的情况，除了上面说的图形数据外，不同企业部门之间的生产，消耗联系也可以很方便地用网状结构来表示。网络数据库结构的缺点是：由于数据间联系要通过指针表示，指针数据项的存在使数据量大大增加，当数据间关系复杂时指针部分会占大量数据库存贮空间。另外，修改数据库中的数据，指针也必须随着变化。因此，网络数据库中指针的建立和维护可能成为相当大的额外负担。12MⅠⅡabcde1234图1-2-3网络模型三、关系模型关系模型的基本思想是用二维表形式表示实体及其联系。二维表中的每一列对应实体的一个属性，其中给出相应的属性值，每一行形成一个，由多种属性组成的多元组，或称元组(tupple)，与一特定实体相对应。实体间联系和各二维表间联系采用关系描述或通过关系直接运算建立。元组(或记录)是由一个或多个属性(数据项)来标识，这一个或一组属性称为关键字，一个关系表的关键字称为