網絡GIS基本原理

第三章網絡GIS基本原理衛(wèi)星導航定位技術研究中心唐健第1頁，共74頁。本章內容3.1網絡GIS概述3.2網絡GIS體系結構3.3網絡GIS數(shù)據(jù)組織與管理3.4網絡GIS的數(shù)據(jù)共享第2頁，共74頁。3.1網絡GIS概述回顧計算技術的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)從獨立主機時代到客戶/服務器計算模式時代直至Internet的分布式計算時代，其進化的動力始終圍繞更高性能、更低成本和更人性化的操作方式。與計算模式發(fā)展相適應，GIS體系結構大致經歷了單機結構GIS和網絡環(huán)境下的GIS兩個發(fā)展階段，目前正向與網格計算、云計算相結合的模式推進。第3頁，共74頁。網絡GIS概述二十世紀七十年代初到八十年代初期間，由于當時的計算機硬件平臺只有大、中、小幾種類型，相應的GIS技術應用體系結構的硬件平臺是由一臺或多臺主機和與主機相連的若干臺用戶終端構成，軟件系統(tǒng)(包括系統(tǒng)軟件、應用軟件和數(shù)據(jù)等)全部駐留在主機上。1981年以后，PC的功能不斷增強，存儲容量不斷增大，性價比迅速提高，以前只能由小型機、中型機或更高性能的計算機承擔的任務，只要在一般的PC上就能完成。同計算機及微處理技術發(fā)展相適應，在這一時期出現(xiàn)了許多以PC為硬件平臺的GIS軟件，即單機結構的GIS。GIS由一臺PC及相關的輸入輸出等外圍設備和裝載于PC硬盤上的GIS軟件組成。這種以PC為核心的技術應用體系結構，把原有集中在主機上的數(shù)據(jù)計算處理、屏幕管理、用戶界面生成和交互與數(shù)據(jù)維護等功能全都在用戶的本地機上實現(xiàn)。第4頁，共74頁。網絡GIS概述

過去由于信息技術發(fā)展水平的限制，GIS多以獨立主機結構的計算模式為主。隨著信息技術尤其是計算機通信網絡的迅速發(fā)展，人們需求信息的類型和數(shù)量發(fā)生了很大的變化。地理空間信息的應用不僅僅限于專業(yè)人士，而是被廣泛地應用于各行各業(yè)。在這種情況下，獨立主機結構GIS的弊端就漸漸地暴露了出來。

傳統(tǒng)GIS的不足數(shù)據(jù)的互操作性較差數(shù)據(jù)和應用程序集中管理，不同部門之間的地理信息的交互性比較差，難以進行互操作。GIS數(shù)據(jù)共享能力弱

文件：共享困難數(shù)據(jù)庫：沒有統(tǒng)一的標準或規(guī)范,導致很難在不同行業(yè)或同一行業(yè)的不同部門之間實現(xiàn)共享。傳統(tǒng)GIS第5頁，共74頁。數(shù)據(jù)冗余嚴重由于傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)組織和管理是相對獨立的，因此不同GIS用戶為了滿足自身的需要，往往都需各自生產地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

GIS的分析能力有限GIS中的空間數(shù)據(jù)往往都是海量的，而由于單個計算機的處理能力有限，導致GIS對大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理能力不高。

成本高昂第6頁，共74頁。網絡GIS概述網絡GIS的特點成本降低無論是以何種結構來組織開發(fā)的網絡GIS，它都是一個多用戶的空間信息系統(tǒng)。用戶勿需擁有自主版權的GIS軟件系統(tǒng)就可以通過網絡使用GIS功能。實現(xiàn)企業(yè)的事務與GIS專業(yè)有機結合網絡GIS的出現(xiàn)可以使企業(yè)成員的交流合作與GIS專業(yè)操作有機結合，構成企業(yè)群體生產力。簡單易用，操作難度降低網絡GIS中的WebGIS采用頁面操作取代傳統(tǒng)GIS的窗口操作GIS處理能力大為提高由于網絡GIS是一個任務分布處理系統(tǒng)，可以充分利用網絡資源，采用分布式協(xié)同計算來完成復雜、計算量大的地理空間計算任務。這樣，一些復雜的計算任務，諸如大規(guī)模查詢可交給性能比較強大的服務器來執(zhí)行，而數(shù)據(jù)量較小的簡單操作則由本地計算機完成。這是一種比較理想的全局優(yōu)化模式。第7頁，共74頁。網絡GIS的特點

動態(tài)系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的請求隨時向用戶動態(tài)提供其所需的空間信息服務，為用戶提供個性化空間信息服務?？缙脚_性好網絡GIS的分布性、多用戶特點決定了網絡GIS必須具有較強的跨平臺性能互操作能力強開放式地理信息系統(tǒng)(OpenGIS)規(guī)范和互操作技術的提出,不僅為數(shù)據(jù)共享提供了嶄新的思路,而且將GIS帶入了開放的時代,從而使得各個系統(tǒng)間實現(xiàn)不同類型地理數(shù)據(jù)和地理處理方法的透明訪問成為可能.容易實現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)分發(fā)第8頁，共74頁。3.2網絡GIS體系結構定義網絡體系結構是關于完整的計算機通信網絡的一幅設計藍圖，是設計、構造和管理通信網絡的框架和技術基礎。網絡GIS體系結構是關于完整的基于計算機通信網絡的GIS設計、構造和管理的框架和技術基礎。兩層體系結構三層及多層體系結構第9頁，共74頁。兩層體系結構兩層體系結構把網絡GIS分成客戶機(也可稱為客戶瀏覽器)和服務器兩個部分，它們之間通過網絡(包括局域網、Internet、Intranet等)在一定的協(xié)議(如TCP/IP、HTTP等)支持下實現(xiàn)信息的交互，形成客戶/服務器計算模式(C/S)，共同協(xié)調處理一個應用問題。服務器端工作站文件服務器數(shù)據(jù)庫服務器工作站PCPC客戶端通信網絡圖3-1兩層結構示意圖(客戶/服務器模式)第10頁，共74頁。兩層體系結構

客戶機和服務器是根據(jù)它們所承擔的工作來加以區(qū)分的?？蛻魴C和服務器是相互獨立、相互依存、相互需要的。客戶機通常是承載最終用戶使用的應用軟件系統(tǒng)的單臺或多臺設備，而服務器的功能則由一組協(xié)作的過程或數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)所構成，為客戶機提供服務，其硬件組成往往是一些性能較高的服務器或工作站?？蛻?服務器模式的計算機系統(tǒng)可以有多個客戶端，或者多個服務器?？蛻?服務器模式基于簡單的請求/應答方式。客戶機向服務器提出數(shù)據(jù)處理請求，服務器端接收請求并對請求進行處理，根據(jù)請求的內容執(zhí)行相應操作，并將操作結果傳至客戶機一端?？梢钥闯?，只有經歷這樣的一個來回才能完成一項任務的處理。

第11頁，共74頁。兩層體系結構按照邏輯關系，一個復雜應用程序可劃分為表示邏輯、業(yè)務邏輯、事務邏輯和數(shù)據(jù)邏輯。網絡GIS體系結構的主要問題就是如何均衡以上各業(yè)務中的負載分配。

--表示邏輯主要負責前端用戶界面

--業(yè)務邏輯主要負責系統(tǒng)中業(yè)務規(guī)則和流程處理

--事務邏輯主要負責應用程序訪問數(shù)據(jù)的安全性、完整性等

--數(shù)據(jù)邏輯主要負責數(shù)據(jù)庫的存取、管理等

不確定服務器端第12頁，共74頁。兩層體系結構在兩層體系結構中，按負載的輕重可將客戶/服務器體系結構歸納為以下兩種：

--基于客戶機的網絡GIS體系結構稱為“瘦”服務器/“胖”客戶機的網絡GIS。GIS的絕大多數(shù)功能都是在客戶機實現(xiàn)的，只有少量的GIS功能在服務器端實現(xiàn)。

特點：客戶機需要下載或安裝相應的客戶機GIS應用程序

思路：大多數(shù)基于客戶機的網絡GIS中，GIS分析工具和GIS數(shù)據(jù)最初駐留在服務器上。用戶通過客戶機向服務器發(fā)出GIS數(shù)據(jù)和GIS處理工具的請求，服務器根據(jù)客戶機的請求將數(shù)據(jù)和GIS處理工具一并傳送給客戶機。客戶機接受所需要的數(shù)據(jù)和GIS處理工具，按照用戶的操作，進行GIS數(shù)據(jù)處理和分析。第13頁，共74頁。兩層體系結構--基于服務器端的網絡GIS體系結構

稱為“胖”服務器/“瘦”客戶機的網絡GIS。特點：服務器端的負載較重，GIS的絕大多數(shù)功能都是在服務器端實現(xiàn)的，客戶機的瀏覽器僅充當前端的對用戶友好的接口。思路：用戶在客戶機瀏覽器上通過向服務器發(fā)送初始化和數(shù)據(jù)處理與服務請求，服務器接受此請求后，分析請求的處理要求，并對請求加以處理，將處理結果通過網絡返回客戶機，并在客戶機瀏覽器上按適當方式予以顯示?？蛻?服務器體系結構的優(yōu)點在于簡單和高效，流行的HTTP、FTP等協(xié)議都是遵循客戶/服務器模式的。早期的網絡GIS建設大都采用這種模式?？蛻?服務器結構以PC為主，適合部門級應用。第14頁，共74頁。三層體系結構隨著GIS應用系統(tǒng)的大型化以及用戶對系統(tǒng)性能的要求不斷提高，兩層結構的缺點逐漸暴露出來。于是在Internet的基礎上，兩層體系結構自然延伸到三層或更多層次的體系結構。這實際上可以看作是基于服務器端的網絡GIS體系結構(“胖”服務器/“瘦”客戶機結構)的拓展和細化。三層體系結構突破了客戶/服務器兩層模式的限制，將各種邏輯分別分布在三層結構中來實現(xiàn)，這樣便可以將業(yè)務邏輯、表示邏輯、數(shù)據(jù)邏輯分開，從而減輕客戶機和數(shù)據(jù)服務器的壓力，能較好地平衡負載，并且形成了一種新的計算模式—瀏覽器/服務器模式(B/S)。圖3-2三層邏輯體系結構第15頁，共74頁。三層體系結構

客戶端可以是PC、PDA或者蜂窩電話等，中間層通常是工作站或小型機，服務器可以是主機、小型機等。工作原理：客戶機可以不直接向數(shù)據(jù)服務器發(fā)送請求，數(shù)據(jù)的請求由應用服務器根據(jù)客戶端的請求向數(shù)據(jù)服務器提出，數(shù)據(jù)訪問的結果也是由應用服務器負責發(fā)送到客戶端的。第16頁，共74頁。第17頁，共74頁。三層體系結構優(yōu)點將用于圖形顯示的表示邏輯與GIS的處理邏輯分開，可以使GIS的處理邏輯為所有用戶共享。與兩層結構相比，在三層結構中，Web服務器既作為一個瀏覽服務器，同時又是應用服務器，將整個應用邏輯和規(guī)則駐留其上，而只有表示層存在于客戶機，使客戶機變得很單純，從而極大地減輕了客戶機的負擔。應用服務器支持多種關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)類型，并通過對象中間件技術，在網絡上尋找對象應用程序，完成對象間的通信。這樣便屏蔽了網絡通信的細節(jié)，使客戶機和服務器均不需要了解對方的具體工作，從而實現(xiàn)無縫透明的連接。第18頁，共74頁。多層體系結構

多層結構的網絡GIS在負責與用戶交互的客戶機和負責數(shù)據(jù)存儲管理的數(shù)據(jù)服務器之間存在一層或多層負責業(yè)務處理邏輯。通過這些業(yè)務處理邏輯對GIS分析處理任務進行分解達到平衡負載的目的。多層結構與三層結構相比，主要是在業(yè)務邏輯層增加了更多的邏輯處理單元，以根據(jù)不同客戶的請求情況分別予以高效處理。第19頁，共74頁。多層體系結構應用例一Atuodesk企業(yè)版GIS

Atuodesk企業(yè)版提供了一種真正的多層體系結構來支持地理空間數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層整個企業(yè)級空間信息系統(tǒng)的基礎，空間數(shù)據(jù)的組織和管理層（Oracle）應用層Autodesk的GIS設計服務器的一層，GIS設計服務器主要為企業(yè)應用提供各種矢量地圖服務

客戶端桌面程序

Web服務器Autodesk實現(xiàn)了Web服務器與數(shù)據(jù)層、設計服務器和客戶端的桌面系統(tǒng)間的有效結合

瀏覽器瀏覽器是用戶通過Internet進行訪問的數(shù)據(jù)表示層（MapGuide）第20頁，共74頁。多層結構應用例二Any*GIS(日立公司)的系統(tǒng)結構Any*GISWeb客戶端AutoCAD客戶端Any*GIS標準客戶端Web服務器Any*GIS應用服務器OracleSpatial模塊Geo-Adapter組件CORBA組件地圖數(shù)據(jù)CAD制圖數(shù)據(jù)歷史GIS(數(shù)據(jù))CORBAGIS(數(shù)據(jù))客戶層應用服務層數(shù)據(jù)存儲層圖3-3Any*GIS的分層結構三種不同的客戶端接口可以適應公司的使用功能和商業(yè)各個方面的需求Web服務器使得終端用戶可以和標準Internet服務器相交互。Any*GIS應用服務器是Any*GIS的功能中樞，它提供空間數(shù)據(jù)的整合和轉換功能代表了存儲在公司里的各種空間和非空間數(shù)據(jù)。Geo-Adapter組件提供了一個讀、寫各種格式的空間數(shù)據(jù)的中間層，同時通過它還可以連接到其他廠商的GIS第21頁，共74頁。多層體系結構優(yōu)點使用多層結構設計、開發(fā)網絡GIS應用系統(tǒng)時，系統(tǒng)將被分為不同的邏輯模塊。因其能有效地平衡服務器端與客戶端的負載，從而使系統(tǒng)的整體性能有較大提高，同時也使網絡GIS變得比較安全、靈活，維護更加方便。第22頁，共74頁。3.3網絡GIS數(shù)據(jù)組織與管理空間數(shù)據(jù)的組織與管理一直是GIS理論與技術發(fā)展的基礎問題，是GIS技術能否得到廣泛應用并為用戶提供高效服務的關鍵。

GIS數(shù)據(jù)組織與管理技術是指通過研究地表現(xiàn)象的表達方式，進而研究它們在計算機中的存儲、管理和分析方法。第23頁，共74頁。網絡GIS數(shù)據(jù)組織與管理認識抽象信息世界概念模型(不依賴計算機)轉換機器世界DBMS支持的數(shù)據(jù)模型現(xiàn)實世界的信息現(xiàn)實空間世界空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)結構計算機存儲認知與抽象空間數(shù)據(jù)模型是關于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設計空間數(shù)據(jù)庫模式提供了基本方法?？臻g數(shù)據(jù)結構：不同空間數(shù)據(jù)模型在計算機內的存儲和表達方式。

第24頁，共74頁。網絡GIS數(shù)據(jù)組織與管理例如通過地理認知可將地表現(xiàn)象抽象為點、線、面、體等四種類型，為了在計算機中再現(xiàn)這些地表現(xiàn)象，根據(jù)計算機科學的有關理論和技術(如計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結構等)，人們又按照點、線、面、體的組織方式選擇合適的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)地表現(xiàn)象的可視化表達，這是建立任何GIS的基礎和前提。

第25頁，共74頁。網絡GIS數(shù)據(jù)組織策略人們對現(xiàn)實世界的地理現(xiàn)象通過認知和抽象，把地理實體用數(shù)學上的一些基本幾何形體(如點、線、面以及柵格單元等)來進行結構化表達，這種抽象與表達方法為基于分層的數(shù)據(jù)組織奠定了基礎?，F(xiàn)實世界是一組具有高度相關結構的物質實體，這些實體擁有一組允許人們在相似性基礎上進行分類的共同屬性，人們可以通過實體的這些屬性和關系的共性來認識和表達地理實體，即通過地理特征來認識客觀世界，這就是基于地理特征的數(shù)據(jù)組織方法。

第26頁，共74頁。網絡GIS數(shù)據(jù)組織策略基于分層的數(shù)據(jù)組織主要在矢量和柵格數(shù)據(jù)以及關系數(shù)據(jù)模型的基礎上使用分層的方法來組織數(shù)據(jù)*“層”是GIS中最重要的基本概念之一；*“分層”是目前GIS數(shù)據(jù)組織的最基本的方法之一。建筑物建筑物河流公園建筑物層河流層公園層矢量結構中的分層往往是基于幾何要素分類(如點類、線類、面類和體類等)而實現(xiàn)的。在這種分層組織方式中，GIS的地理空間數(shù)據(jù)由若干個圖層及相關屬性數(shù)據(jù)組織而成，每個空間數(shù)據(jù)圖層又以若干個空間坐標的形式存儲。矢量空間數(shù)據(jù)的分層組織可概括為：坐標對—空間對象—圖層—地圖。第27頁，共74頁。基于分層的數(shù)據(jù)組織分層組織中的信息可按以下方法分類：

--地圖集，是地理數(shù)據(jù)組織中的頂層信息，實現(xiàn)對各個地圖的管理，主要包含有地圖引用(表名、地圖層數(shù)等)、地圖坐標(坐標系統(tǒng)、配準信息等)及地圖描述(訪問權限、地圖說明等)等信息。

--圖層集，是由多個空間圖層組成的能滿足一定應用需求的圖層集合，包含有組成圖層集的圖層引用(圖層標號、圖層表名)、圖層空間索引(大小、標號、表名)、圖層顯示、圖層坐標范圍(坐標最大、最小值)等信息。

--圖層，是由多個具有某些相同或相似特性的同種類型的空間對象組成的集合，包含有以下信息：空間對象的標識(標號、名稱)、描述(名稱、特征屬性、類型)及幾何表示(坐標的二進制大對象形式—BLOB數(shù)據(jù)類型)。

第28頁，共74頁?；诜謱拥臄?shù)據(jù)組織缺陷對現(xiàn)實世界中的地理現(xiàn)象進行幾何抽象往往忽視了地理現(xiàn)象的本質特性及現(xiàn)象之間的內在復雜聯(lián)系，導致獲取的空間信息被極大地簡化，降低了GIS的信息容量。注重空間位置的描述，較少考慮以分類屬性和相互關系為基礎的結構化實體的內在規(guī)律描述，致使空間分析能力相對較弱。分層疊加的方法把現(xiàn)實世界劃分為一系列具有嚴格邊界的圖層，但這些邊界并不能充分反映客觀現(xiàn)實，從而造成了許多人為誤差。第29頁，共74頁。基于特征的數(shù)據(jù)組織針對分層組織存在的缺陷，要對地理現(xiàn)象進行合理抽象和簡化，就需要一個高度統(tǒng)一的框架對地理現(xiàn)象和地理數(shù)據(jù)進行規(guī)范化的理解、表達和組織。地理特征的概念特征是對地理現(xiàn)象的高度抽象和全面表達，它包括地理現(xiàn)象在空間、時間和專題等方面的所有信息

第30頁，共74頁?；谔卣鞯臄?shù)據(jù)組織基本思想是把地理特征作為地理空間信息的基本單元，利用地理特征來表達和描述地球空間上客觀存在的實體。地理特征用位置和類別來進行刻畫，位置和類別又由屬性和關系來刻畫。一個地理特征既是一個地理實體又是一個表達對象，形式上被定義為具有共同屬性和關系的一組現(xiàn)象，其中，位置與類別的屬性和關系是必要的。特征數(shù)字表達實體對象位置類別X,Y,Z點線面柵格單元關系屬性拓撲關系形狀顏色尺寸方位…Is_aPart_ofContaina_kind_of…關系屬性客觀世界圖3-5特征中位置與類別的屬性和關系第31頁，共74頁?；谔卣鞯臄?shù)據(jù)組織優(yōu)點

采用基于特征的方法認識和表達客觀世界，可以在數(shù)據(jù)模型的層次上實現(xiàn)地理現(xiàn)象的規(guī)范化理解與表達，形成地理現(xiàn)象的統(tǒng)一框架，較好地保證地理現(xiàn)象表達的完備性與一致性；根據(jù)特征的生命周期特性和它具有的動態(tài)變化特點，有利于實現(xiàn)時空專題信息的集成和分析；在基于特征的GIS中，特征可以通過聚集或聯(lián)合形成更為復雜的特征。第32頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫33

空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

空間數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構

分布式數(shù)據(jù)庫網絡GIS數(shù)據(jù)管理第33頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫34

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，應用程序對數(shù)據(jù)庫的操作全部通過DBMS進行。

1空間數(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)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第34頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫35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)之中。它勾畫出數(shù)據(jù)庫的框架。

1空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第35頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫36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)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊應用數(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

1空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第36頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫37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)共享

1空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第37頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫38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

1空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第38頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫39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)庫維護數(shù)據(jù)庫通訊操作系統(tǒng)接口處理各種語言接口遠程操做接口處理

1空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第39頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫402空間數(shù)據(jù)庫管理員決定數(shù)據(jù)庫的信息內容決定存儲結構和存儲策略決定系統(tǒng)的保護策略監(jiān)督系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)庫的改進和重組第40頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫41

（1）用戶級用戶使用的數(shù)據(jù)庫對應于外部模式，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數(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)庫對應于內模式，又稱為存貯模式，內模式描述的是數(shù)據(jù)在存貯介質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。1空間數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構二、空間數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構重點第41頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫42模式子模式A子模式B用戶A1用戶A1用戶B1用戶B1數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)子模式/模式映射模式/存儲模式映射2數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構概念數(shù)據(jù)庫存儲模式用戶數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)庫第42頁，共74頁。第43頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫44OSDBMS應用程序工作區(qū)系統(tǒng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)庫應用程序的外部模型模式存儲模式(1)(8)(7)(6)(3)(4)(5)(2)3應用程序對數(shù)據(jù)庫的訪問第44頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫454文件與關系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)GIS應用軟件Arc/Info圖形用戶界面ArcEdit屬性用戶界面Tables圖形數(shù)據(jù)文件庫屬性數(shù)據(jù)庫圖形處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)oid圖形與屬性結合的混合處理模式GIS通過DBMS提供的高級編程語言環(huán)境下，直接操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)庫，并在GIS的用戶界面下，顯示查詢結果。GIS軟件商只需開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可將屬性數(shù)據(jù)與任何一個支持ODBC的RDBMS連接。這樣用戶可在一個界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。第45頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫46GIS應用擴展DBMS以容納空間數(shù)據(jù)商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成BinaryBlock字段（多媒體或變長文本）。省去大量關系連接操作，但BinaryBlock的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。5全關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第46頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫47DBMS軟件商在RDBMS中進行擴展，使之能直接存儲和管理非結構化的空間數(shù)據(jù)，如Informix和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的ＡＰＩ函數(shù)。主要解決空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，效率比二進制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結構不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)ＧＩＳ要求再定義，使用上受一定限制。GIS應用空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊

商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫6對象關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第47頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫48

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)ＧＩＳ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。7面向對象空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第48頁，共74頁。MySQL空間數(shù)據(jù)擴展第49頁，共74頁。OpenGIS幾何模型Geometry（非實例化）Point、LineString、Polygon、GeometryCollection、MultiPoint、MultiLineString和MultiPolygon定義為可實例化類Geometry屬性：類型：可被實例化的類型空間參考ID：坐標系第50頁，共74頁。OpenGIS空間數(shù)據(jù)格式文本格式-WKTPoint：

POINT(1520)具有4個點的LineString：LINESTRING(00,1010,2025,5060)

其它：

MULTILINESTRING((1010,2020),(1515,3015))MULTIPOLYGON(((00,100,1010,010,00)),((55,75,77,57,55)))GEOMETRYCOLLECTION(POINT(1010),POINT(3030),LINESTRING(1515,2020))第51頁，共74頁。二進制(WKB)格式與POINT(11)對應的WKB值由下述21字節(jié)序列構成（在此，每個字節(jié)由2個十六進制數(shù)值表示）：F03F000000000000F03F該序列可分為下述部分：Byteorder:01WKBtype

:01000000X

:000000000000F03FY

:000000000000F03F表示如下：

字節(jié)順序（Byteorder）可以是0或1，分別表明little-endian或big-endian存儲。little-endian和big-endian字節(jié)順序也分別稱為網絡數(shù)據(jù)表示（NDR）和外部數(shù)據(jù)表示（XDR）。WKBtype（WKB類型）是指明幾何類型的代碼。取值從1到7，分別表示Point、LineString、Polygon、MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon、和GeometryCollection。Point值具有X和Y坐標，每個值均用雙精度值表示。第52頁，共74頁。MySQL空間數(shù)據(jù)庫操作插入：INSERTINTOgeomVALUES(GeomFromText('POINT(11)'));數(shù)據(jù)查詢：SELECTAsText(g)FROMgeom;第53頁，共74頁。MBRContains(g1,g2)返回1或0以指明g1的最小邊界矩形是否包含g2的最小邊界矩形。mysql>

SET@g1=GeomFromText('Polygon((00,03,33,30,00))');mysql>SET@g2=GeomFromText('Point(11)');mysql>SELECTMBRContains(@g1,@g2),MBRContains(@g2,@g1);----------------------+----------------------+|MBRContains(@g1,@g2)|MBRContains(@g2,@g1)|+----------------------+----------------------+|1|0|+----------------------+----------------------+第54頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫551數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的客戶/服務器體系結構服務器集中管理核心資源，客戶機完成具體應用；提出了三層Client/Server模型。三層客戶/服務器結構構建了一種分割式的應用程序，系統(tǒng)對應用程序進行分割后，劃分成不同的邏輯組件，即用戶服務層、業(yè)務處理層、數(shù)據(jù)服務層；空間數(shù)據(jù)庫服務器、客戶機和網絡三、分布式數(shù)據(jù)庫重點第55頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫56

但是隨著數(shù)據(jù)庫應用的不斷發(fā)展，人們逐漸地感覺到過份集中化的系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時有許多局限性。例如，不在同一地點的數(shù)據(jù)無法共享；系統(tǒng)過于龐大、復雜，顯得不靈活且安全性較差；存儲容量有限不能完全適應信息資源存儲要求等等。2分布式數(shù)據(jù)庫（DistributedDatabase）產生

地理信息的區(qū)域性地理信息的專題性空間數(shù)據(jù)分片數(shù)據(jù)模型異構異構數(shù)據(jù)源第56頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫57

分布式數(shù)據(jù)庫是一組結構化的數(shù)據(jù)集合，它們在邏輯上屬于同一系統(tǒng)而在物理上分布在計算機網絡的不同結點上。網絡中的各個結點（也稱為“場地”）一般都是集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，由計算機、數(shù)據(jù)庫和若干終端組成。定義3分布式數(shù)據(jù)庫定義第57頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫58表面上看，分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分散在各個場地，但這些數(shù)據(jù)在邏輯上卻是一個整體，如同一個集中式數(shù)據(jù)庫。因而，在分布式數(shù)據(jù)庫中就有全局數(shù)據(jù)庫和局部數(shù)據(jù)庫這樣兩個概念。所謂全局數(shù)據(jù)庫就是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，指邏輯上一組結構化的數(shù)據(jù)集合或邏輯項集；而局部數(shù)據(jù)庫是從各個場地的角度出發(fā)，指物理結點上各個數(shù)據(jù)庫，即子集或物理項集。這是分布式數(shù)據(jù)庫的“邏輯整體性”特點，也是與分散式數(shù)據(jù)庫的區(qū)別。4分布式數(shù)據(jù)庫體系結構第58頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫59場地1 T1 T2 T3DB1

計算機1場地2 T1 T2 T3DB2

計算機2場地3 T1 T2 T3DB3

DB1計算機3分布式空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)5分布式數(shù)據(jù)庫體系結構網絡網絡網絡第59頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫60分布式多空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的集成技術；分布式多空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全局空間索引；空間查詢的處理和優(yōu)化；事務管理、并發(fā)控制。6分布式數(shù)據(jù)庫的關鍵技術第60頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫611空間數(shù)據(jù)互操作多源空間數(shù)據(jù)（多時空性、多尺度、多數(shù)據(jù)源、多數(shù)據(jù)格式、分類體系）異構數(shù)據(jù)的集成和共享空間數(shù)據(jù)互操作對系統(tǒng)而言：能彼此更安全地獲取和處理對方的信息；對用戶而言：方便地查詢到所需的信息，并方便地使用各種不同類型和格式的數(shù)據(jù)；對系統(tǒng)管理員：管理信息，將資源充分提供給用戶；3.4網絡GIS的數(shù)據(jù)共享第61頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫622空間數(shù)據(jù)相關標準SDTS(SpatialDataTransferStandard)空間數(shù)據(jù)轉換標準

包括幾何坐標、投影、拓撲關系、屬性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典、柵格與矢量格式等不同數(shù)據(jù)格式的轉換標準OpenGIS

不同空間數(shù)據(jù)之間、數(shù)據(jù)處理功能之間的相互操作及不同系統(tǒng)或部門之間的信息共享其核心是規(guī)范：

OGIS開放式地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范統(tǒng)一的標準協(xié)議進行通信第62頁，共74頁。2022/12/2空間數(shù)據(jù)庫633空間數(shù)據(jù)互操作的實現(xiàn)方法

數(shù)據(jù)格式轉換基于直接訪問模式基于公共接口訪問模式

API函數(shù)或SQL的接口規(guī)范

XML的空間數(shù)據(jù)互操作規(guī)范第63頁，共74頁。數(shù)據(jù)格式互換模式通過把其他格式的數(shù)據(jù)經過專門的轉換軟件進行轉換，變成本系統(tǒng)可以識別與利用的數(shù)據(jù)格式，以此來達到不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)間接共享的目的。缺點：

--轉換后不能完全準確表達源數(shù)據(jù)的信息

--數(shù)據(jù)轉換過程復雜、頻繁，易產生數(shù)據(jù)不一致性問題第64頁，共74頁。傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)共享方法數(shù)據(jù)直接訪問模式在同一個GIS軟件中實現(xiàn)對不同格式數(shù)據(jù)的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件訪問和存取多種格式的數(shù)據(jù)。如Intergraph的GeoMedia系列軟件實現(xiàn)了對大多數(shù)GIS/CAD/DBMS軟件數(shù)據(jù)的直接訪問，包括對MGE、Arc/Info、OracleSpatial、SQLServer、AccessMDB等的數(shù)據(jù)的直接訪問。特點：數(shù)據(jù)直接訪問避免了繁瑣的數(shù)據(jù)轉換過程，而且在一個GIS軟件中訪問其他軟件的數(shù)據(jù)格式不要求用戶擁有該數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，也不需要運行該軟件。因此它為用戶提供了一種更為經濟實用的多源數(shù)據(jù)共享模式