地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)組織與管理

1、學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握數(shù)據(jù)的層次單位 了解數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系 了解常用的數(shù)據(jù)文件 了解數(shù)據(jù)庫的基本概念 理解數(shù)據(jù)庫模型 理解數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)更新 理解矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的管理方式 重點：數(shù)據(jù)庫模型的分類和特點 難點：面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫模型第五章 空間數(shù)據(jù)組織與管理第一節(jié) 數(shù)據(jù)層次與文件組織數(shù)據(jù)層次（數(shù)據(jù)項、記錄、文件、數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系（一對一、一對多、多對多）用數(shù)據(jù)文件（順序、直接、索引、到排文件） 文件記錄數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項組邏輯數(shù)據(jù)單位之間的關(guān)系物理單位: 位(比特)、字節(jié)、字、塊(物理記錄)、桶和卷邏輯單位: 數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)項組、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫一、數(shù)據(jù)的層次單位一、數(shù)據(jù)的層次單位

2、數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項組數(shù)據(jù)項組記錄記錄文件文件數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫最基本的不可分割的數(shù)據(jù)單位,具有獨立的邏輯意義邏輯上具有某種共同標(biāo)志的若干數(shù)據(jù)項組成的數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)項組集合,對文件進(jìn)行存取操作的基本單位給定類型邏輯記錄的全部具體值的集合文件的集合，文件之間存在某種聯(lián)系，不能孤立存在二、常用數(shù)據(jù)文件二、常用數(shù)據(jù)文件順序文件隨機文件索引文件 倒排文件它是物理順序與邏輯順序一致的文件順序文件隨機文件索引文件 倒排文件文件中的貯存是根據(jù)記錄關(guān)鍵字的值，通過某種轉(zhuǎn)換方法得到一個物理存貯位置，然后把記錄存貯在該位置上。順序文件隨機文件索引文件 倒排文件即帶有索引的文件，它只能建立在隨機存取介質(zhì)上。順序文件隨機文件索

3、引文件 倒排文件按照一些輔關(guān)鍵字來組織索引稱為輔索引，帶有這種輔索引的文件稱為倒排文件。第二節(jié)第二節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理程序庫程序庫( (數(shù)據(jù)庫軟件數(shù)據(jù)庫軟件) )原始信息原始信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫。二、數(shù)據(jù)庫分類事物管理數(shù)據(jù)庫地理信息數(shù)據(jù)庫存儲信息存儲信息特征特征概念模型物理數(shù)據(jù)庫外部模型A A外部模型B B用戶A1A1用戶A1A1用戶B1B1用戶B1B1數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)外部外部/概念映射概念映射A外部外部/概念映射概念映射B概念概念/內(nèi)部映射內(nèi)部映射數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外部模式外部模式外部模式外部模式概念模式概念模式內(nèi)模式內(nèi)模式 （1）用戶級 用戶使用的數(shù)據(jù)庫對

4、應(yīng)于外部模式，它是用戶與數(shù)據(jù)庫的接口，也就是用戶能夠看到的那部分?jǐn)?shù)據(jù)庫，它是數(shù)據(jù)庫的一個子集。 （2）概念級 概念數(shù)據(jù)庫對應(yīng)于概念模式，簡稱模式，是對整個數(shù)據(jù)庫的邏輯描述，也就是數(shù)據(jù)庫管理員看到的數(shù)據(jù)庫。 （3）物理級 物理數(shù)據(jù)庫對應(yīng)于內(nèi)模式，又稱為存貯模式，內(nèi)模式描述的是數(shù)據(jù)在存貯介質(zhì)上的物理配置與組織，是存放數(shù)據(jù)的實體，也是系統(tǒng)程序員才能看到的數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是處理數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的操作全部通過DBMS進(jìn)行。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫維護(hù) 數(shù)據(jù)庫通訊 提供書寫各種模式的語言及其支撐軟件，并把各種定義信息

5、也存貯于系統(tǒng)之中。它勾畫出數(shù)據(jù)庫的框架。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫維護(hù) 數(shù)據(jù)庫通訊 應(yīng)用數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)庫 a)鍵盤輸入； b)接受另一個系 統(tǒng) 的數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫維護(hù) 數(shù)據(jù)庫通訊 運行控制數(shù)據(jù)存取、更新數(shù)據(jù)完整性、有效性數(shù)據(jù)公享數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫維護(hù) 數(shù)據(jù)庫通訊 重新定義數(shù)據(jù)重新組織性能監(jiān)督與分析數(shù)據(jù)庫整理故障恢復(fù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫維護(hù) 數(shù)據(jù)庫通訊 操作系統(tǒng)接口處理各種語言接口遠(yuǎn)程操做接口處理DBMS組成語言處理程序運行控制程序建立與維護(hù)程序數(shù)

6、據(jù)描述語言（DDL）數(shù)據(jù)操作語言（DML）終端命令解譯系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)更新并發(fā)控制數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)裝入性能監(jiān)控工作日志重新組織數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)恢復(fù)SQL語言：數(shù)據(jù)查詢 Data Query數(shù)據(jù)定義 Data Definition數(shù)據(jù)操縱 Data Manipulation數(shù)據(jù)控制 Data ControlOSDBMS應(yīng)用程序工作區(qū)系統(tǒng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的外部模型模式存儲模式(1)(8)(7)(6)(3)(4)(5)(2)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問數(shù)據(jù)組織層次數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織一般可以分為四級：數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。1 數(shù)據(jù)項：是可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫元素、基本項、

7、字段等。 2 記錄：由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成。 3 文件：文件是一給定類型的(邏輯)記錄的全部具體值的集合。 4 數(shù)據(jù)庫：是比文件更大的數(shù)據(jù)組織。數(shù)據(jù)庫是具有特定聯(lián)系的數(shù)據(jù)的集合，也可以看成是具有特定聯(lián)系的多種類型的記錄的集合。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部構(gòu)造是文件的集合，這些文件之間存在某種聯(lián)系，不能孤立存在。 數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系 數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要是指記錄與記錄之間的聯(lián)系。 1、一對一的聯(lián)系(1：1) 2、一對多的聯(lián)系(1：N) 3、多對多的聯(lián)系(M：N) A BABA BABA BAB數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中實體與實體之間的聯(lián)系方式，是衡量數(shù)據(jù)庫能力強弱的主要形式之一。每一種數(shù)據(jù)模型都以不同的數(shù)

8、據(jù)抽象與表示能力來反映客觀事物，有其不同的處理數(shù)據(jù)聯(lián)系的方式。數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域采用的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型，面向?qū)ο竽Ｐ?。層次?shù)據(jù)庫模型 它的特點是將數(shù)據(jù)組織成一對多關(guān)系的結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)采用關(guān)鍵字來訪問其中每一層次的每一部分。層次數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特別適用于文獻(xiàn)目錄、土壤分類、部門機構(gòu)等分級數(shù)據(jù)的組織。 123456abcdefgMMabcdefg1223344134355664c層次數(shù)據(jù)庫模型優(yōu)點：0存取方便且速度快0結(jié)構(gòu)清晰，容易理解0數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展容易實現(xiàn)0檢索關(guān)鍵屬性十分方便缺陷：0結(jié)構(gòu)呆板，缺乏靈活性0同一屬性數(shù)據(jù)要存儲多次，數(shù)據(jù)冗余大（如公共邊）0不適合于拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)的組織

9、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型網(wǎng)絡(luò)模型用連接指令或指針來確定數(shù)據(jù)間的顯式連接關(guān)系，是具有多對多類型的數(shù)據(jù)組織方式 。系名化學(xué)系教師數(shù)學(xué)生數(shù)研究生系名數(shù)學(xué)系教師數(shù)49學(xué)生數(shù)257研究生71學(xué)校名稱徐州師大系名城環(huán)系教師數(shù)52學(xué)生數(shù)300研究生70系名教師數(shù)學(xué)生數(shù)研究生系名教師數(shù)學(xué)生數(shù)學(xué)號002312姓名張三年級3籍貫廣東系名教師數(shù)學(xué)生數(shù)研究生系名教師數(shù)學(xué)生數(shù)教師號66姓名王一年齡30職稱教授系名教師數(shù)學(xué)生數(shù)研究生系名教師數(shù)學(xué)生數(shù)課程號A01課程名GIS周學(xué)時4學(xué)分5系名教師數(shù)系名學(xué)號002312課程號A01網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型M acbecfgda12gb25f463e356d41c34地圖多邊形線關(guān)系數(shù)據(jù)

10、庫模型是以記錄組或數(shù)據(jù)表的形式組織數(shù)據(jù)，以便于利用各種地理實關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型是以記錄組或數(shù)據(jù)表的形式組織數(shù)據(jù)，以便于利用各種地理實體與屬性之間的關(guān)系進(jìn)行存儲和變換，不分層也無指針，是建立空間數(shù)據(jù)體與屬性之間的關(guān)系進(jìn)行存儲和變換，不分層也無指針，是建立空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間關(guān)系的一種非常有效的數(shù)據(jù)組織方法。和屬性數(shù)據(jù)之間關(guān)系的一種非常有效的數(shù)據(jù)組織方法。點123456abcdefgM關(guān)系數(shù)據(jù)模型優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)特別靈活，滿足所有布爾邏輯運算和數(shù)學(xué)運算規(guī)則形成的查詢要求 能搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù) 增加和刪除數(shù)據(jù)非常方便缺陷： 數(shù)據(jù)庫大時，查找滿足特定關(guān)系的數(shù)據(jù)費時 對空間關(guān)系無法滿足面向?qū)ο髷?shù)據(jù)

11、庫系統(tǒng) 面向?qū)ο螅╫bject-oriented，oo）的概念起源于程序設(shè)計語言面向?qū)ο蟮木幊陶Z言(簡稱OOPL)，強調(diào)對象概念的統(tǒng)，引入對象、對象類、方法、實例等概念和術(shù)語，采用動態(tài)聯(lián)編和單繼承性機制。它以O(shè)OPL為核心，集各種軟件開發(fā)工具為一體，建立OO計算環(huán)境，配有很強的圖形功能和多窗口用戶界面。 基本出發(fā)點就是以對象作為最基本的元素，盡可能按照人類認(rèn)識世界的方法和思維方式來分析和解決問題。 0對象：是對客觀世界實體的抽象描述，由信息（數(shù)據(jù)）和對數(shù)據(jù)的操作組合而成。0類：是對多個相似對象共同特性的描述。0消息：是對象之間通信的手段，用來指示對象的操作。分公有消息和私有消息。 0方法：是對

12、象接收到消息后應(yīng)采取的動作序列的描述。0實例：是由一特定類描述的具體對象。0元類：是相似的類的共同屬性的抽象，元類的實例是類，類的實例是對象。對象具有封裝性和繼承性，涉及到分類（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、聯(lián)合（association） 、繼承（inheritance）和傳播（propagation）等概念。基本概念 基本概念 協(xié)議：是一個對象對外服務(wù)的說明。 封裝：是將某件實物包圍起來，使外界不必知道其實際內(nèi)容。 繼承：從某類對象得到另一類對象的特征和能力。如飯店子類從建筑物類繼承地址、建筑日期等屬性。引入類的繼承，就

13、出現(xiàn)了類的層次結(jié)構(gòu)，也就有了超類（基類）、子類（派生類）的概念?；靖拍?概括：是把一組具有相同特征和操作的對象歸納在一個更一般的超類中。 聯(lián)合：是相似對象的抽象組合，可看作是更高層次的集合對象。如西安市是新城區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)等區(qū)的聯(lián)合。又聯(lián)合關(guān)系的對象叫成員。 聚集：是類似于聯(lián)合的抽象化概念，不強調(diào)整個對象的具體細(xì)節(jié)，例如建筑物是墻、窗、門、房頂和樓板幾部分的聚集。 傳播：作為聯(lián)合和聚集的一種工具，通過一種強制性的手段將子對象的屬性信息傳遞給復(fù)雜對象。例如西安市大學(xué)生數(shù)量可以由各個大學(xué)的學(xué)生數(shù)求和派生得到。空間地物點狀地物線狀地物面狀地物復(fù)雜地物電視塔橋 梁車 站道 路水 管電力線建筑物湖

14、公 園礦 山大 學(xué)縣面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型 GIS中的地物可根據(jù)國家分類標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H情況劃分類型。如一個大學(xué)GIS的對象可分為建筑物、道路、綠化、管線等幾大類，地物類型的每一大類又可以進(jìn)一步分類，如建筑物可再分成教學(xué)樓、科研實驗樓、行政辦公樓、教工住宅、學(xué)生宿舍、后勤服務(wù)建筑、體育樓等子類，管線可再分為給水管道、污水管道、電信管道、供熱管道、供氣管道等，另一方面，幾種具有相同屬性和操作的類型可綜合成一個超類。 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)方式 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型從概念上將人們對GIS的理解提高到了一個新的高度。 一方面，它巧妙地容納了GIS中拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的思想，能有效地表達(dá)空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系。另一方

15、面，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型在表達(dá)和處理屬性數(shù)據(jù)時，又具有許多獨特的優(yōu)越性。目前，采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型，建立面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主要有三種實現(xiàn)方式： 擴(kuò)充面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性 擴(kuò)充RDBMS，在RDBMS中增加面向?qū)ο蟮奶匦?建立全新的支持面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的OODBMS 吉奧之星 中的空間對象模型 幾 何 數(shù) 據(jù)屬 性 數(shù) 據(jù)ID數(shù) 據(jù) 文 件數(shù) 據(jù) 庫早 期圖形用戶界面圖形處理DBMS屬性用戶界面圖形 文件庫屬性 數(shù)據(jù)庫GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形 文件庫屬性 數(shù)據(jù)庫高級語言O(shè)DBC協(xié)議GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形 文件庫屬性 數(shù)據(jù)庫高級語言數(shù)

16、據(jù)庫開發(fā)語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)庫開發(fā)GIS界面屬性數(shù)據(jù) （定長記錄）空間數(shù)據(jù) （變長記錄）DBMS空間 數(shù)據(jù)庫關(guān)系表二進(jìn)制塊 GIS界面空間數(shù)據(jù)處理DBMS空間 數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充實體類型 （點、線、面、圓等）柵格數(shù)據(jù)的管理柵格數(shù)據(jù)的管理 目前大部分GIS軟件和遙感圖像處理軟件都是采用文件管理方式來管理遙感影像數(shù)據(jù) 缺點：無法應(yīng)付數(shù)據(jù)的安全性、并發(fā)控制和數(shù)據(jù)共享文件管理形式的影像數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)001影像數(shù)據(jù)002影像數(shù)據(jù)003影像數(shù)據(jù)004影像數(shù)據(jù)005文件管理方式 影像數(shù)據(jù)按照文件方式組織管理 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，每個文件都有唯一的標(biāo)識號對應(yīng)影像信息文件-數(shù)據(jù)庫管理方式文件管理形式的影像數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)001影像

17、數(shù)據(jù)002影像數(shù)據(jù)003影像數(shù)據(jù)004影像數(shù)據(jù)005影像信息數(shù)據(jù)庫表影像數(shù)據(jù)的文件管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理基于擴(kuò)展關(guān)系數(shù)據(jù)庫的影像數(shù)據(jù)管理是將影像數(shù)據(jù)存儲在二進(jìn)制變長字段中，然后應(yīng)用程序通過數(shù)據(jù)訪問接口來訪問數(shù)據(jù)庫中的影像數(shù)據(jù)，同時影像數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表中，二者可以進(jìn)行無縫管理。特點： 所有數(shù)據(jù)集中存儲，數(shù)據(jù)安全，易于共享 較方便管理多數(shù)據(jù)源和多時態(tài)的數(shù)據(jù) 支持事務(wù)處理和并發(fā)控制，有利于多用戶的訪問與共享 影像數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)集成到一起，能方便的進(jìn)行交互式查詢 對C/S的分布式應(yīng)用支持較好，網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)傳輸速度都有很大提高 影像數(shù)據(jù)訪問只能通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動接口訪問，有利于

18、數(shù)據(jù)的一致性和完整性控制，數(shù)據(jù)不會被隨意移動、修改和刪除 支持異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，即應(yīng)用程序和后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以在不同操作系統(tǒng)平臺下運行48 49 4YmaxYminXminXmax空間對象集合123456檢索窗口XNYWYEXSXmaxXN OR XminXS OR YmaxYE OR YminYW 空間對象不被檢索XEXmax，XminXN AND YWYmax，YminYE 空間對象被檢索XNYWYEXS23650 P(3,3)=6P(3,1)=4 P(3,2)=103412P(2,3=1P(2,1)=7 P(2,2)=83142頭指針I(yè)DP10 20304052607334123142375210489168590109鏈指針二、常用數(shù)據(jù)文件二、常用數(shù)據(jù)文件順序文件隨機文件索引文件 倒排文件它是物理順序與邏輯順序一致的文件第二節(jié)第二節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理程序庫程序庫( (數(shù)據(jù)庫軟件數(shù)據(jù)庫軟件) )原始信息原始信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫的裝入 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫維護(hù) 數(shù)據(jù)庫通訊 提供書寫各種模式的語言及其支撐軟件，并把各種定義信息也存貯于系統(tǒng)