空間數(shù)據(jù)管理.課件

1、第五章 空間數(shù)據(jù)管理靖娟利制作/04/9第1頁，共44頁。主要內容 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)文件 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 空間數(shù)據(jù)庫模型 空間數(shù)據(jù)庫設計 空間數(shù)據(jù)庫建立與維護第2頁，共44頁。5.1 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)文件一、數(shù)據(jù)組織的分級數(shù)據(jù)組織的層次 按邏輯單位分級：數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。 按物理單位分級：比特、字節(jié)、字、塊、桶和卷。 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織 數(shù)據(jù)項：定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫基本項、字段等；有一定的取值范圍，即域；可以是數(shù)值、字母、字母數(shù)字、漢字等形式。 記錄：由若干相關聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成，是處理和存儲信息的基本單位；有“型”和“值”的區(qū)別；每個記錄有唯一的標識符（關鍵字）。 第3頁，共44頁。

2、文件：是一給定類型的（邏輯）記錄的全部具體值的集合；用文件名標識；根據(jù)組織和存取方法分為順序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。 數(shù)據(jù)庫：具有特定聯(lián)系的數(shù)據(jù)的集合（多種類型的記錄集合）；是具有某種聯(lián)系的文件集合。 （例如，一個GIS工程可能含有幾千幅圖，每幅圖可能有點、線、面多種數(shù)據(jù)文件和多種屬性表，因而一個GIS工程可作為一個空間數(shù)據(jù)庫，但他們可能涉及成千上萬個文件。）第4頁，共44頁。二、數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要指記錄之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系 一對一的聯(lián)系（1:1）：在集合A中存在一個元素ai，則在集合B中有且僅有一個bj與之聯(lián)系。 一對多的聯(lián)系(1：N)：在集合A中存在一

3、個ai,則在集合B中存在一個子集B(bj1， bj2bjn)與之聯(lián)系。 第5頁，共44頁。 多對多的聯(lián)系(M：N)：對于集合A中的一個元素ai。在集合B就存在一個子集B(bj1， bj2bjn)與之相聯(lián)系。反過來，對于B集合中的一個元素Bj在集合A中就有一個集合A(ai1,ai2,ai3ain)與之相聯(lián)系。 第6頁，共44頁。三、常用數(shù)據(jù)文件文件的組織方式主要有：順序文件：對記錄按主關鍵字的順序進行組織。索引文件：除了存儲記錄本身（主文件）以外，還建立若干索引表。直接文件：也稱隨機文件，根據(jù)記錄關鍵字的值，通過某種轉換方法得到一個物理存儲位置，然后把記錄存儲在該位置上。倒排文件：帶有輔索引的文

4、件。第7頁，共44頁。5.2 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)庫的概念概念： 是為一定目的服務，以特定的結構存儲的相關的數(shù)據(jù)集合。特點： 數(shù)據(jù)集中控制 數(shù)據(jù)冗余度小 數(shù)據(jù)獨立 復雜的數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)保護：安全性控制、完整性控制、并發(fā)控制、故障 的發(fā)現(xiàn)和恢復第8頁，共44頁。二、數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構基本結構 物理級：數(shù)據(jù)庫最內的一層；是物理設備上實際存儲的數(shù)據(jù)集合；由物理模式描述。 概念級：數(shù)據(jù)庫的邏輯表示，包括每個數(shù)據(jù)的邏輯定義以及數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系；由概念模式定義。 用戶級：用戶所使用的數(shù)據(jù)庫，是一個或幾個特定用戶所使用的數(shù)據(jù)集合，是概念模型的邏輯子集；用外模式定義。第9頁，共44頁。第10頁，共44

5、頁。三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS：是處理數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件；是DB的中心樞紐，與各部分有密切聯(lián)系。DBMS的功能：數(shù)據(jù)庫定義、管理、維護、通訊DBMS的組成：語言處理程序、系統(tǒng)運行控制程序、建立和維護程序DBA：掌握數(shù)據(jù)庫全面情況并作為數(shù)據(jù)庫設計和管理骨干的人；主要功能是建立和維護數(shù)據(jù)。第11頁，共44頁。四、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫：指GIS在計算機物理存儲介質上存儲的與應用相關的地理空間數(shù)據(jù)的總和?？臻g數(shù)據(jù)特征: 1）空間特征：一般需要建立空間索引。 2）非結構化特征：結構化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項是原子數(shù)據(jù);而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需

6、要嵌套記錄。 3）空間關系特征：拓撲數(shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護增加了復雜性。 4）分類編碼特征：一種地物類型對應一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文件。 5）海量數(shù)據(jù)特征。第12頁，共44頁?？臻g數(shù)據(jù)庫特點： 1）數(shù)據(jù)量特別大； 2）數(shù)據(jù)種類多，復雜； 3）數(shù)據(jù)應用面相當廣。空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)： 1）是指能夠對物理介質上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義； 2）提供必須的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和存取功能； 3）能夠空間數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件系統(tǒng)。第13頁，共44頁。5.3 數(shù)據(jù)庫模型數(shù)據(jù)模型： 描述數(shù)據(jù)內容和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的工具，是衡量數(shù)據(jù)庫能力強弱的主要標

7、志之一。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型： 層次模型、網(wǎng)絡模型、關系模型面向對象模型：第14頁，共44頁。一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型層次模型 以記錄類型為結點的有向樹。 原始地圖E 層次模型第15頁，共44頁。 網(wǎng)絡模型 將數(shù)據(jù)組織成有向圖結構，結點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述不同結點數(shù)據(jù)間的關系。 網(wǎng)絡模型 第16頁，共44頁。 關系模型將數(shù)據(jù)的邏輯結構歸結為滿足一定條件的二維表，亦稱關系。表的行叫元組，相當于一個記錄，表的列叫屬性。所有的元組都是同質的，即有相同的屬性項。多邊形關系邊界結點關系邊界關系第17頁，共44頁。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)連續(xù)性/相關性不連續(xù)相關性小連續(xù)較強空間相關性實體類型

8、/空間關系少簡單固定多復雜且不固定記錄長度結構化等長非結構化不等長查詢與操作文字、數(shù)字文字數(shù)字空間圖形第18頁，共44頁。二 、面向對象模型1、對象： 含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。（如一個城市、一棵樹均可作為地理對象。） 具有一個唯一的標識，以表明其存在的獨立性； 具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)； 具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。-作用、功能函數(shù)、方法。 地理對象屬性數(shù)據(jù)行為方法 基本概念第19頁，共44頁。 2、類：共享同一屬性和方法集的所有對象的集合。如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法

9、，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。3、實例：被抽象的對象，類的一個具體對象。如長江、黃河等。（真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。）類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層關系。類-申請實例-成為具體對象。4、消息：對象之間的請求和協(xié)作。（并不獨立存在）對象之間的關系， 如點某按紐，就是對按紐提出請求。類實例1實例2對象1對象2請求和協(xié)作消息第20頁，共44頁。 面向對象的特性1、抽象：是對現(xiàn)實世界的簡明表示。形成對象的關鍵是抽象，對象是抽象思維的結果。2、封裝：將方法與數(shù)據(jù)放于一對象中，以使對數(shù)據(jù)的操作只可通過該對象本身的方法來進行（指把

10、對象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響）。3、多態(tài)：是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。同一消息，對不同對象，功能不同?，F(xiàn)實世界抽象對象1對象n對象2圖元類 CLineCCircledraw()draw(p1,r)draw(p1,p2)LineCircle第21頁，共44頁。 四種核心技術1、分類：分類是把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程。（instance-of）2、概括：將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的超類的過程。(is-a)3、聚集：聚集是把幾個不同性質類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。(parts-of)4

11、、聯(lián)合：相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。(member-of) 空間對象類多邊形對象類 弧段對象類概括圖層對象類多邊形對象類 弧段對象類聚集第22頁，共44頁。 面向對象數(shù)據(jù)模型的核心工具 1、繼承：一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，它服務于概括,分為單重繼承和多重繼承。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。第23頁，共44頁。2、傳播是作用于聯(lián)合和聚集的工具，它通過一種強制手段將子目標的屬性信息傳播給復雜對象。成員對象的屬性只存儲一次，保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如桂林市總人口，由存儲在各成員對象中的各區(qū)人口總和。3、繼承與傳播（區(qū)別）1

12、）繼承服務于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集；2）繼承是從上層到下層，應用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象；3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；4）繼承是一種信息隱含機制，只要說明子類與父類的關系，則父類的特征一般能自動傳給它的子類，而傳播是一種強制性工具，需要在復合對象中顯式定義它的每個成員對象，并說明它需要傳播哪些屬性值。 第24頁，共44頁。 三、現(xiàn)行空間數(shù)據(jù)庫管理方案基于文件與關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)混合管理方案基于關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案基于對象關系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案。第25頁，共44頁。文件 關系數(shù)據(jù)庫混合管理方案屬性數(shù)據(jù)建立在RDBMS上，數(shù)據(jù)存儲和檢索比較

13、可靠、有效；幾何數(shù)據(jù)采用圖形文件管理，功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面，比商用數(shù)據(jù)庫要遜色得多?？臻g數(shù)據(jù)分開存儲，數(shù)據(jù)的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件：Arc/Info，MGE，GenMap等幾何數(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ODBC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)據(jù)庫開發(fā)語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)庫開發(fā)第26頁，共44頁。全關系式數(shù)據(jù)庫管理方案屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時采用關系式數(shù)據(jù)庫進行管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)不必進行煩瑣

14、的連接，數(shù)據(jù)存取較快屬性間接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復雜的空間操作GIS軟件：System9，Small World、Geovision等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)庫關系表二進制塊第27頁，共44頁。對象關系數(shù)據(jù)庫管理方案對現(xiàn)有的關系數(shù)據(jù)庫進行擴展，增加空間數(shù)據(jù)類型解決了空間數(shù)據(jù)變長記錄的存儲問題，由數(shù)據(jù)庫軟件商開發(fā)，效率較高用戶不能根據(jù)GIS要求進行空間對象的再定義，因而不能將設計的拓撲結構進行存儲GIS軟件：TIGER，Geo+、Geo Tropics等GIS界面空間數(shù)據(jù)處理DBMS空間數(shù)據(jù)庫擴充實體類型（點、

15、線、面、圓等）第28頁，共44頁。面向對象空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向對象模型最適合于空間數(shù)據(jù)的表達和管理，它不僅支持變長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結構及它的操作?？梢詫⒖臻g對象根據(jù)需要，定義合適的數(shù)據(jù)結構和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結構可以帶和不帶拓撲，當帶拓撲時，涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。面向對象的地理數(shù)據(jù)模型的核心是對復雜對象的模擬和操縱。第29頁，共44頁。四、GIS空間數(shù)據(jù)組織研究區(qū)域GIS工程并發(fā)控制空間索引工作區(qū)1工作區(qū)2工作區(qū)n工作層地物類邏輯層Arc/InfoMGEGeoStar屬性數(shù)據(jù)Arc/InfoMGEGeoStar

16、ARCINFO,屬性數(shù)據(jù)文件建在對應的coverage目錄下； MGE，一個地物類對應于一個屬性表文件，且所有屬性都放在工程目錄下； GeoStar，結合前兩者的優(yōu)點；第30頁，共44頁。五、空間數(shù)據(jù)索引空間索引概念根據(jù)空間對象位置和形狀或空間對象的某種空間關系，按一定順序排列的數(shù)據(jù)結構，包含空間對象的概要信息，以提高空間操作的效率GIS中引入空間索引的必要性工作區(qū)建立查詢、顯示數(shù)據(jù)提取常見空間索引方法對象范圍索引格網(wǎng)索引四叉樹索引R樹和R+樹索引第31頁，共44頁?？臻g索引：對象范圍索引IDXmaxXminYmaxYmin1234YmaxYminXminXmax空間對象集合123456檢索窗

17、口XNYWYEXSXmaxXN OR XminXS OR YmaxYE OR YminYW空間對象不被檢索XEXmax，XminXN ANDYWYmax，YminYE空間對象被檢索XNYWYEXS236第32頁，共44頁。空間索引：格網(wǎng)索引 將工作區(qū)按一定的規(guī)則劃分成格網(wǎng) 記錄每個格網(wǎng)內所包含的空間對象 將格網(wǎng)按Morton碼進行編碼第33頁，共44頁。空間索引：四叉樹索引 線性四叉樹 采用Morton碼編碼（Peano鍵） 根據(jù)空間對象覆蓋范圍，進行四叉樹分割 建立Peano鍵與空間目標的索引關系 層次四叉樹 記錄中間節(jié)點和父節(jié)點到子節(jié)點的指針 若某個記錄覆蓋了哪一個中間節(jié)點，還要記錄該空間

18、對象的標識空間索引：R樹和R+樹索引第34頁，共44頁。5-4 空間數(shù)據(jù)庫的設計 空間數(shù)據(jù)庫的設計是指在現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎上建立空間數(shù)據(jù)庫的整個過程?，F(xiàn)實世界地理實體數(shù)據(jù)層設計結構設計需求分析數(shù)據(jù)字典設計第35頁，共44頁。一、需求分析 需求分析是整個空間數(shù)據(jù)庫設計與建立的基礎，主要進行以下工作：1、調查用戶需求：了解用戶特點和要求，取得設計者與用戶對需求的一致看法。2、需求數(shù)據(jù)的收集和分析：包括信息需求(信息內容、特征、需要存儲的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應時間)、完整性與安全性要求等。3、編制用戶需求說明書：包括需求分析的目標、任務、具體需求說明、系統(tǒng)功能與性能、運行環(huán)境等，是需

19、求分析的最終成果。 在需求分析階段完成： 數(shù)據(jù)源的選擇和對各種數(shù)據(jù)集的評價（一般、空間、屬性評價）。 第36頁，共44頁。二、結構設計 指空間數(shù)據(jù)結構設計，結果是得到一個合理的空間數(shù)據(jù)模型，是空間數(shù)據(jù)庫設計的關鍵。 空間數(shù)據(jù)庫設計的實質是將地理空間實體以一定的組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程，也就是地理信息系統(tǒng)中空間實體的模型化問題?，F(xiàn)實世界地理實體邏輯模型物理模型概念模型需求分析結構設計第37頁，共44頁。1、概念模型 是通過對錯綜復雜的現(xiàn)實世界的認識與抽象，最終形成空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應用系統(tǒng)所需的模型。 表示概念模型最有力的工具是ER模型，即實體聯(lián)系模型，包括實體、聯(lián)系和屬性三個基本成

20、分。用它來描述現(xiàn)實地理世界，不必考慮信息的存儲結構、存取路徑及存取效率等與計算機有關的問題，比一般的數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實地理世界，具有直觀、自然、語義較豐富等特點，在地理數(shù)據(jù)庫設計中得到了廣泛應用。市區(qū)要素空間實體空間實體屬性空間實體關系邊線走向街道路面質量所屬路段所屬街道組成長度等m1模型E_R第38頁，共44頁。2、邏輯模型 邏輯模型的設計是將概念模型結構轉換轉換為具體DBMS可處理的地理數(shù)據(jù)庫的邏輯結構(或外模式)，包括確定數(shù)據(jù)項、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。 從ER模型向關系模型轉換的主要過程為： 確定各實體的主關鍵字； 確定并寫出實體內部屬性之間的數(shù)據(jù)關系表達式（函數(shù)依賴關系），即某一數(shù)據(jù)項決定另外的數(shù)據(jù)項；把經(jīng)過消冗處理（規(guī)范化處理）的數(shù)據(jù)關系表達式中的實體作為相應的主關鍵字；根據(jù)、形成新的關系。完成轉換后，進行分析、評價和優(yōu)化。 第39頁，共44頁。3、物理設計 是指有效地將空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結構在物理存儲器上實現(xiàn)，確定數(shù)據(jù)在介質上的物理存儲結構，其結果是導出地理數(shù)據(jù)庫的存