空間數據庫ws整理

1、空間數據庫整理數據：指客觀事物的屬性、數量、位置及其相互關系等的符號描述?？臻g數據：是對現實世界中空間對象（事物）的描述，其實質是指以地球表面空間位置為參照，用來描述空間實體的位置、形狀、大小及其分布特征等諸多方面信息的數據?！救蠡咎卣鳎嚎臻g、時間、專題屬性】空間數據庫概念：指以特定的信息結構（如國土、規(guī)劃、環(huán)境、交通等）和數據模型（如關系模型、面向對象模型等）表達、存儲和管理從地理空間中獲取的某類空間信息，以滿足不同用戶對空間信息需求的數據庫?？臻g數據【非結構化（實體位置、大小形狀和拓撲關系）】的組織和管理不同于一般的事務性數據【數據記錄一般是結構化的（每一個記錄有相同的結構和固定的長度

2、，記錄中每個字段表達的只能是原子數據，內部無結構，不允許嵌套記錄）】與統計數據相比空間數據更復雜：數據類型多（幾何數據、關系數據、輔助數據）數據操縱復雜一般數據檢索、增加、刪除等定位檢索、拓撲關系檢索等數據輸出多樣（數據、報表、圖形）數據量大，空間數據種類多測量、統計數據、文字地圖、影像等傳統方法管理空間數據庫存在問題：【eg：列出居住在離公司50英里以內的顧客、無法利用索引縮小搜索范圍】違背了數據獨立性原則查詢的實現需要了解空間對象的結構方法的性能大量的關系元組缺乏用戶友好性需要用戶對表的操縱很難定義新的空間類型不能表達幾何計算相鄰檢測；點查詢；開窗查詢等空間數據管理的發(fā)展過程n 人工管理階

3、段n 文件管理階段n 文件與關系數據庫系統混合管理系統n 全關系型空間數據庫管理系統n 對象關系數據庫管理系統Ø 關系型數據庫+空間數據引擎Ø 擴展對象關系型數據庫管理系統n 面向對象的數據庫系統1、“關系型數據庫+空間數據引擎”Ø 近年來由GIS廠商研發(fā)的一種中間件解決方案。Ø 用戶將自己的空間數據交給獨立于數據庫之外的空間數據引擎，由空間數據引擎來組織空間數據在關系型數據庫中的存儲;Ø 用戶需要訪問數據的時候，再通知空間數據引擎，由引擎從關系型數據庫中取出數據，并轉化為客戶可以使用的方式。關系型數據庫是存放空間數據的容器，而空間數據引擎則是

4、空間數據進出該容器的轉換通道。典型代表：ESRI的ArcSDE、MapInfo的SpatialWaren 優(yōu)點：Ø 訪問速度快，支持通用的關系數據庫管理系統，空間數據按BLOB存取，可跨數據庫平臺，與特定GIS平臺結合緊密，應用靈活。n 缺點：Ø 空間操作和處理無法在數據庫內核中實現，數據模型較為復雜，擴展SQL比較困難，不易實現數據共享與互操作。2、擴展對象關系型數據庫管理系統借助面向對象技術，對關系數據庫管理系統進行擴展，使之能管理非結構化的空間數據?？蛻舨槐夭捎每臻g數據引擎的專用接口進行編程，而使用增加了的空間數據類型和函數的標準擴展型SQL語言來操作空間數據。n 產

5、品：Ø Oracle的Oracle SpatialØ IBM的DB2 Spatial ExtenderØ Informix 的Spatial DataBlade。n 優(yōu)點：空間數據的管理與通用數據庫系統融為一體，空間數據按對象存取，可在數據庫內核中實現空間操作和處理，擴展SQL比較方便，較易實現數據共享與互操作。n 缺點：實現難度大，壓縮數據比較困難，目前的功能和性能與第一類系統尚存在差距?？臻g數據庫相關數據庫：分布式數據庫、演繹數據庫、時態(tài)數據庫、實時數據庫空間實體：地理空間中的物體，通常包括兩個組成部分：實體描述（實體由屬性集來描述）；空間部分（包括幾何和拓撲

6、）地圖是對空間信息的反映；Ø 表示空間實體的屬性信息Ø 表示空間實體的定位信息Ø 表示空間實體的空間關系信息地理空間建模的二分法：基于實體/場的建模。（二者可以共存）基于實體的建模Ø 將地理實體和現象作為獨立的對象，以獨立的方式存在，主要描述不連續(xù)的地理現象Ø 任何現象都是一個對象，實體由不同的對象組成。Ø 把信息空間看作許多對象的集合，這些對象具有自己的屬性Ø 主要描述不連續(xù)的個體現象，適合表示有固定形狀的空間實體Ø 強調個體現象，對象之間的空間位置關系通過拓撲關系進行連接Ø 用點線面來表示基于場的建模

7、Ø 把地理空間的事物和現象作為連續(xù)的變量來看待l 空氣中污染物的集中程度l 地表的溫度Ø 在空間中任何點上都有一個表達這一現象的值場的特征· 空間結構特征和屬性域· 空間結構是指可以進行長度和角度測量的歐氏空間· 空間結構可以是規(guī)則的或不規(guī)則的· 屬性域：名稱、序數、間隔和比率· 連續(xù)的、可微的、離散的· 位置的微小變化，帶來屬性值的微小變化· 邊界離散· 與方向無關和與方向有關的（各向同性、各向異性）· 若場中的所有性質都與方向無關，稱各向同性場· 否則為各向異性場【在不同

8、的方向所測得的性能數值不同?！?#183; 空間自相關，是空間場中的數值聚集程度一種量度。· 如果一個空間場中的數值有聚集的傾向，則該場表現出正空間自相關；· 如果空間場中的數值在空間上有排斥傾向，則該場表現出負空間自相關。根據屬性分布的表示方法，場模型的表達可分為：Ø 圖斑模型【將地理空間劃分為一些簡單的連通域，每個區(qū)域用一個簡單的數學函數表示一種主要屬性的變化】Ø 等值線模型【場由一系列等值線組成。等值線：地面上所有具有相同屬性值的點的有序集合】Ø 選樣模型【地理空間上的屬性值是通過采集有限個點的屬性值來確定的；如高程用離散點、規(guī)則格網、不

9、規(guī)則三角網采樣】不規(guī)則三角網模型TIN：按照一定的規(guī)則將離散點連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊、結構最佳的三角形（能夠避免地形平坦時的數據冗余。）地理空間表達模式Ø 鑲嵌模式（tessellation mode曲面細分模式）【精度與分辨率有關】Ø 矢量模式（vector mode）Ø 半平面表達（ half-plane representation)用鑲嵌模式表達基于實體的數據：二維空間中的空間實體被表示為包含它的有限像素子集.· 空間實體的最小表達單位：一個單元或象素(Cell或Pixel)，依行、列構成的單元矩陣叫柵格(Grid)；· 每個單元

10、通過一定的數值表達方式（如顏色、灰度級）表達諸如環(huán)境污染程度、植被覆蓋類型等空間地理現象. 用鑲嵌模式表達基于場的數據：在鑲嵌模型中, 不再是點的連續(xù)函數，而是像素的連續(xù)函數。矢量模式中，對象被表達為由點和邊組成，點和邊稱為圖元.【相對于柵格表達，矢量表達不占據太多的內存】基于實體的矢量模式總結Ø 矢量模式比柵格形式更緊湊。Ø 表達空間實體時，在表達能力和結構的復雜度上有一個折中。Ø 簡單的矢量表達不能表示一些約束，而這些約束對確保語義的正確和數據完整性方面是很有用的?；趫龅氖噶勘磉_：DEM（對空間抽象模型的數字表達）、TIN。拓撲關系：定義物體之間的空間關系的

11、一種數學方法。在GIS中，表示空間關系的方法主要有:   1）區(qū)域定義：多邊形由一組封閉的線來定義   2）鄰接性：用多邊形-弧段結構來確定多邊形相互之間的鄰接關系   3）連通性：以弧段節(jié)點結構來確定弧段與弧段之間的連通性，用于路徑分析、最佳路徑計算、網絡流程分析等   4）方向性：由起點至終點即確定了一個方向   5）包含性：指面狀物體包含哪些線狀物體和點狀物體. 如一個省內有 多少個城市，城區(qū)內分布哪些小學、一個居住小區(qū)內配套設施如何等等 三種常用的方法表達空間對象的集合： Ø 面條SpaghettiØ 網絡

12、Network Ø 拓撲Topological面條模型特點（簡單、獨立型好；缺乏矢量關系的表達和數據冗余）Ø 獨立地描述實體集中任意實體的幾何信息.Ø 面條模型不存儲拓撲關系，所有的拓撲關系在需要的時候進行計算。Ø spaghetti model是最簡單的矢量數據模型Ø 只表達最基礎的連通關系Ø 多邊形是坐標的列表，相鄰多邊形的邊儲存兩次Ø 空間關系不儲存，要通過計算來獲取網絡模型【節(jié)點和弧。網絡拓撲的內在描述，沒有實體之間關系的信息】Ø 用于在基于網絡（圖）的應用中對網絡進行表達:n transportation

13、 services n Utility management (electricity, telephone, and so on).Ø 基于數學中的圖論Ø 模型中存儲points and polylines的拓撲關系.Planar, 每個邊的交點記錄為一個節(jié)點（node）,即使這個節(jié)點不對應于任何地理實體.Noplanar, 邊的交叉不產生交點拓撲模型【結點和弧】：拓撲網絡把平面分成很多相鄰的多邊形，多邊形并不對應于實際的地理實體.Ø 坐標和屬性數據分開存儲Ø 模型的基本對象是幾何實體：the points, lines and polygons. 每

14、個實體的坐標有一個唯一的標識號存儲在二進制文件中；Ø 屬性值和拓撲描述存儲在 RDBMS tables, originally in INFO tables. 與幾何屬性通過標識號連接.優(yōu)點Ø 幾何要素是共享的不是重復的；Ø 數據模型代表相鄰的多邊形，不需要計算的需求；Ø 促進一致的更新,只需一個副本的邊界更新；缺點Ø 比Spaghetti model更復雜, may slow down processing.Ø 一些結構信息沒有實際的語義含義.Ø 增加一個新的對象需要對平面圖進行重新計算.空間數據：是可以利用表示地球表面或

15、近地表位置的空間屬性被顯示、操縱和進行分析的數據?！臼噶繑祿?、柵格數據、偽空間數據】空間數據有兩個重要性質:l 以一個地理空間為參考。l 用多種比例尺表示。當用相對小的比例尺記錄空間數據時，可以代表地球表面或鄰近表面的較大區(qū)域。偽空間數據：一些形式的空間數據不能被直接用于空間應用?！窘值赖刂?、字母-數字地理數據、掃描地圖 /航空照片.】空間數據分類：基礎地圖數據層、框架數據層、應用數據層、業(yè)務解決方案層空間數據有兩個關鍵方面:Ø 數據的表示（幾何）Ø 關系的表示（拓撲）幾何：“Geometry”通常被理解為數學的一個分支，處理零維和高維空間的點、線、角、面和表面的屬性及關系

16、。拓撲：是一個數學領域。研究當圖形形狀在彎曲、拉伸、收縮或其他方式扭曲下幾何形狀保持不變的屬性。關注的是幾何圖形之間的關系而不是它們的固定坐標。包括：Ø 相鄰（ Adjacency ），空間圖形中同類元素之間的拓撲關系。Ø 連通（ Connectivity ），空間圖形中弧段之間的拓撲關系。Ø 包含（containment ），空間圖形中不同類或同類但不同級元素之間的拓撲關系。拓撲數據結構（節(jié)點、邊、多邊形）是存儲真實世界要素之間固有關系的。非拓撲數據結構：shapefile model Ø 主文件：Shape的位置信息；Ø 索引文件：對主文件

17、的索引，指出主文件中記錄在文件中的位置信息；Ø 數據文件：包括Shape的具體位置和屬性信息。內容關系數據模型面向對象數據模型基本數據結構二維表類數據標識符碼OID靜態(tài)性質屬性屬性動態(tài)行為關系操作方法抽象數據類型無有封裝性無有數據間關系主外碼聯系，數據依賴繼承、組合模式演化能力弱強Geodatabase的三種類型u 個人地理數據庫(.mdb)【存儲上限為2GB】u 文件地理數據庫(.gdb)【以文件夾的形式表現、以二進制文件格式存儲、每個表存儲上限為1TB】u ArcSDE地理數據庫【支持多用戶并發(fā)編輯、存儲于RDBMS中、伸縮性】· 八叉樹上的節(jié)點分為三類：·

18、灰節(jié)點，它對應的立方體部分地為V所占據；· 白節(jié)點，它所對應的立方體中無V的內容；· 黑節(jié)點，它所對應的立方體全為V所占據。· 后兩類又稱為葉結點根據不同的存貯方式，八叉樹可以分別稱為常規(guī)的、線性的、一對八的八叉樹等  物理存儲介質基本存儲：寄存器、高速緩沖存儲器、主存儲器在線存儲：快閃存儲器、磁盤存儲器脫機存儲：光盤存儲器、磁帶存儲器磁盤Ø 磁道：圓形磁盤片上向邊緣延伸的許多同心圓環(huán)Ø 扇區(qū)：磁道被劃分為扇區(qū)，扇區(qū)大小由驅動器的廠商設定Ø 磁盤塊 ：（頁面）是磁盤與主存之間的最小傳輸單元數據在磁盤上的不同放置策略

19、可以在很大程度上減少尋道時間（ts）和延遲時間（tl）尋道延遲傳輸有效應用磁盤Ø 扇區(qū)大小n 大的扇區(qū)對大數據集提供更快的轉換速度n 但對小數據集會浪費存儲空間Ø 常用數據項的放置n 放置在中心軌道，而不是外邊或里邊的軌道最小化平均尋訪時間 Ø 大數據集需要更多的扇區(qū)。選擇同一個圓柱面上的扇區(qū)Ø 把重復訪問的數據放在主存緩沖區(qū)中緩沖區(qū)管理器：DBMS的一個軟件模塊，負責管理主存與二級存儲之間的數據傳輸。磁盤上的數據是文件、記錄和域組織起來的集合域：關系或實體的一個特征或屬性記錄：關系中的一行，是屬性域的集合（通常小于一個扇區(qū)；一個扇區(qū)上會有很多個記錄）文

20、件：記錄的集合，一個文件可能跨越多個扇區(qū)同類的記錄可以表示為一個關系不同類型的記錄集可能是幾個相關關系的組合一個頁面是槽（slot）的集合，每個槽包含一條記錄文件系統：文件的集合，組織成目錄文件結構：文件組織其記錄的方法磁盤訪問度量· 磁盤訪問的次數依賴于很多因素，例如磁盤頁面容量、分割算法、插入順序等。· 將采用聚類的子空間中每個網格點的散列單元平均數，來作為度量空間填充曲線聚類性能的標準。· 如果每個網格點都映射到一個磁盤塊，那么這種度量剛好對應于涉及附加尋道時間的不連續(xù)的磁盤訪問數量。常用的文件結構Ø 堆Heap or無序unordered or無

21、結構unstructured 文件Ø 有序Ordered文件Ø 散列Hashed文件Ø 聚類Clustered文件Ø 描述Descriptions follow文件堆文件Ø 記錄沒有特定的順序Ø 插入：把記錄插入扇區(qū)的最后Ø find, find next, nearest neighbor：掃描整個文件Ø RIVER表(無序文件),根據給定的關鍵碼(如name)查找一條記錄需要掃描文件中的記錄。在最壞情況下，文件的所有記錄都要被檢查，所有存儲該文件數據的磁盤頁面都要被訪問。平均來說，需要檢索一半的磁盤頁面。

22、16; 無序文件的主要優(yōu)點是在進行插入操作時可以很容易地在文件末尾插入一條新記錄。 散列文件Ø 散列函數：可取之處在于它能夠把數量大致相同的記錄放入每個散列單元中Ø find, insert, delete 速度很快Ø Find next, nearest neighbor速度慢Ø 不適合范圍查詢，例如，查找所有名字以字母“B”開頭的城市的詳細信息有序文件Ø 有序文件根據給定的主碼域對記錄進行組織 find, insert, delete 可以使用binary search(折半算法 ), it is very efficientØ

23、有序文件組織方式還可以根據對空間數據集的文件組織方式而概括成空間聚類。聚類Ø 使用空間填充曲面對扇區(qū)記錄進行聚類Ø 聚類的目的就是降低常見大查詢的尋道時間(ts)和等待時間(t1)。Ø 對空間數據庫，意味著在二級存儲中，空間上相鄰的和有關聯的對象在物理上應當存儲在一起。 SDBMS支持的三中聚類方法：內部、本地、全局聚類?？臻g聚類技術（從高維空間向一維空間的映射）特點：該映射是距離不變(distance-preserving)的空間上不會有兩個點映射到直線的同一個點上Ø Z-curve Z序Ø Hilbert-curve Z-curve生成算法

24、Ø 讀入x，y坐標的二進制表示Ø 隔行掃描二進制數字的比特得到一個字符串Ø 計算結果二進制的十進制值Hilbert算法Ø 讀入x和y坐標的n比特二進制表示。Ø 隔行掃描二進制比特到一個字符串。 Ø 將字符串自左至右分成2bit長的串Ø 規(guī)定每個2bit長的串的十進制值為：“00”等于0，“01”等于l；“10”等于3；“11”等于2 Ø 5）對于數組中每個數字j，如果l ·j=0把后面數組中出現的所有l(wèi)變成3，并把所有出現的3變成1。l ·j=3把后面數組中出現的所有0變成2，并把所有出現的2變

25、成0。Ø 將數組中每個值轉換成二進制表示（2bit）長的串，自左至右連接所有的串，并計算其十進制值（或直接將其認為四進制數，轉為十進制數）聚類效率比較：Hilbert曲線的方法要比Z曲線好一些，因為它沒有斜線。不過，Hilbert算法和精確入口點及出口點的計算量都要比Z曲線復雜。計算機的兩級存儲：內存（數據庫中的資料即數據）和外存（數據索引）四叉樹分割是遞歸地把空間分成四個相等的部分為什么說 索引對于處理的效率至關重要？Ø 若對磁盤上資料的位置不加以記錄和組織，每查詢一個數據項就要掃描整個數據文件訪問磁盤的代價會嚴重影響系統的效率Ø 必須將資料在磁盤上的位置加以記

26、錄和組織，通過在內存中的一些計算來取代對磁盤漫無目的的訪問能否快速的檢索信息是衡量數據庫性能高低的一個主要的標志。索引表：基本構件是索引項。一個索引項中有關鍵詞值和指針，通過指針可找到含有此關鍵詞值的記錄，即一個索引項為：（關鍵詞值，指針）。多個索引項構成了一個索引（表）數據庫=主文件+索引文件【索引文件是用來提高數據文件查詢效率的輔助文件】一條索引記錄包括：主碼值key value、數據扇區(qū)的地址主索引：如果數據文件的記錄是按主碼排序的，那么索引就只需要保存數據文件的每個磁盤頁面第一個主碼域值空間索引（SpIdx）：依據空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關系按一定的順序排列的一種數

27、據結構（描述存儲在介質上的數據的位置信息，建立邏輯記錄與物理記錄間的對應關系）【對空間的逐級劃分】空間索引的基本原理相似,即采用分割原理,把查詢空間劃分為若干區(qū)域(通常為矩形或多邊形),這些區(qū)域或單元包含空間資料并可唯一標識。格網索引：peano鍵和空間對象；BSP樹：空間逐級一分為二（樹三維延伸）；四叉樹索引（線性四叉樹和分層四叉樹）:遞歸地對地理空間進行四分，直到自行設定的終止條件（比如每個節(jié)點關聯圖元的個數不超過3個，超過3個，就再四分），最終形成一顆有層次的四叉樹。樹空間區(qū)域可以有重疊；樹中沒有重疊，一個對象可以被分成幾部分（矩形）。樹采用凸多邊形進行劃分。關系代數六種基本運算：選擇，

28、投影，并，笛卡兒積，差，交Spatial queries：檢索空間數據中存儲的滿足特定條件的值，更復雜空間數據：二維或者三維數據查詢結果：以圖形表示空間查詢：利用一個或多個空間操作算子構成，包括表達空間關系的謂詞?？臻g算子分類（拓撲投影度量算子）：· 一元算子：· 獲取單個幾何的屬性信息（如，位置、面積、長度和體積屬性）· 二元算子：· 獲取兩個實體間的關系（如距離，方向，鄰接性，連接性，包含性）初步過濾，空間索引；二次過濾，空間操作。得到查詢結果。擴展SQL支持用戶自定義類型，可用于操縱和獲取空間數據；保持SELECT-FROM-WHERE結構作為數據

29、庫查詢的框架。數據庫設計流程Ø 外部設計找出數據中公有的、核心的對象，得到描述數據對象內容的數據字典；Ø 概念設計階段構建數據模型表達數據對象的結構特征和相互關系；分析和表達數據對象的空間、時間和屬性特征；【建模語言(UML)- UML用類圖(class,association,multiplicity)表示概念模型，ODL或E/R圖】得到數據對象圖；Ø 邏輯設計得到數據模型；【GIS的邏輯數據模型：Geo-relational數據模型（空間、屬性數據分開存儲），Object-relational數據模型（對地理對象的屬性數據（狀態(tài)）和對這些屬性數據進行操作的方法

30、（行為）進行統一建模，永久存儲）】Ø 物理設計得到數據庫實體（邏輯模型在實際的物理存儲設備上的實現）。空間數據的完整性約束Ø 拓撲完整性約束，關于空間要素間空間關系（如，鄰接，包含和連接）的幾何屬性.Ø 語義完整性約束，控制數據庫中對象空間行為的數據庫規(guī)則（例如，地塊不能位于水體中）.Ø 用戶定義約束，類似于那些在非空間數據建模中確定的業(yè)務規(guī)則（例如，沿湖岸200米的緩沖區(qū)內禁止樹木采伐）.Oracle Spatial：一系列函數和過程的集合；提供了SQL模式和函數來實現Feature Collection的存儲、檢索、更新和查詢。R-treeQuad-tree幾何形的近似形不可調節(jié)，采用最小包圍盒可以通過設定分片級別和數量來調節(jié)幾何形的近似形索引的創(chuàng)建和調整容易調整較復雜，會顯著影響性能相對較少的存儲空間相對較大對最近鄰居SDO_NN查詢較快對最近鄰居查詢較慢更新數據的效率較低頻繁更新數據不會影響索引的性能可以多到四維空間索引只能在二維空間索引SDO_WITHIN_DISTANCE查詢效率高能夠實現全球的索引將復雜的空間實體操作封裝成類,出現一個新的概念地理空間數據庫引擎（ArcSDE）ESRI對SDE定義為：從空間數據管理的角度來看,SDE可看成是一個連