地理空間數(shù)據(jù)庫

地理空間數(shù)據(jù)庫第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)據(jù)庫的基本概念和特點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的功能和應(yīng)用領(lǐng)域地理空間數(shù)據(jù)庫的原理與方法地理空間數(shù)據(jù)庫制作與使用本講的教學(xué)重點(diǎn)與目標(biāo)我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)空間數(shù)據(jù)庫？到底怎么去學(xué)呢？這就是本節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容！第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一5.1.1數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)5.1空間數(shù)據(jù)庫概述建立數(shù)據(jù)庫不僅僅是為了保存數(shù)據(jù)，擴(kuò)展人的記憶，而主要是為了幫助人們?nèi)ス芾砗涂刂婆c這些數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的事物。地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫就是一種專門化的數(shù)據(jù)庫，由于這類數(shù)據(jù)庫具有明顯的空間特征，所以有人把它稱為空間數(shù)據(jù)庫。定義：數(shù)據(jù)庫就是為了一定的目的，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以特定的結(jié)構(gòu)組織、存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫概述第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)字形式文字圖形圖像聲音語言數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)保存和管理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)圖數(shù)據(jù)庫大致組成的結(jié)構(gòu)圖第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織一般可以分為四級(jí)：數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。

1、數(shù)據(jù)項(xiàng)：是可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫元素、基本項(xiàng)、字段等。

2、記錄：由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項(xiàng)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)庫中數(shù)據(jù)組織層次第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一圖數(shù)據(jù)庫功能數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)于檢索觀察的現(xiàn)象、文件與地圖存儲(chǔ)于檢索

原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢與分析展示與交互制圖第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用領(lǐng)域隨著信息時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫也相應(yīng)產(chǎn)生了一些新的應(yīng)用領(lǐng)域。主要表現(xiàn)在下面6個(gè)方面。多媒體數(shù)據(jù)庫

移動(dòng)數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫

信息檢索系統(tǒng)分布式信息檢索專家決策系統(tǒng)

生活工作學(xué)習(xí)第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中實(shí)體與實(shí)體之間的聯(lián)系方式，是衡量數(shù)據(jù)庫能力強(qiáng)弱的主要形式之一。每一種數(shù)據(jù)模型都以不同的數(shù)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汀５?頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一它的特點(diǎn)是將數(shù)據(jù)組織成一對(duì)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(jī)構(gòu)等分級(jí)數(shù)據(jù)的組織。

層次數(shù)據(jù)模型1第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點(diǎn)：存取方便且速度快結(jié)構(gòu)清晰，容易理解數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展容易實(shí)現(xiàn)檢索關(guān)鍵屬性十分方便1層次數(shù)據(jù)模型層次數(shù)據(jù)模型1缺陷：結(jié)構(gòu)呆板，缺乏靈活性同一屬性數(shù)據(jù)要存儲(chǔ)多次，數(shù)據(jù)冗余大（如公共邊）不適合于拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)的組織第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一網(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(duì)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資旅系教師數(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(hào)002312姓名張三年級(jí)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(hào)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(hào)A01課程名GIS周學(xué)時(shí)4學(xué)分5系名教師數(shù)系名學(xué)號(hào)002312課程號(hào)A01網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型2第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點(diǎn)：能明確而方便地表示數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)系數(shù)據(jù)冗余小缺陷：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，增加了用戶查詢和定位的困難。需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)間聯(lián)系的指針，使得數(shù)據(jù)量增大數(shù)據(jù)的修改不方便（指針必須修改）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型2第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6點(diǎn)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(shí)體與屬性之間的關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)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。關(guān)系數(shù)據(jù)模型3第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特別靈活，滿足所有布爾邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)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(shí)，查找滿足特定關(guān)系的數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)對(duì)空間關(guān)系無法滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型3第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一面向?qū)ο竽Ｐ?面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m應(yīng)于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理，它不僅支持變長記錄，而且支持對(duì)象的嵌套、信息的繼承與聚集。GIS中的各種地物，在幾何性質(zhì)方面不外乎表現(xiàn)為四種類型，即點(diǎn)狀地物、線狀處物、面狀地物以及由它們混合組成的復(fù)雜地物，因而這四種類型可以作為GIS中各種地物類型的超類。第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一5.1.2空間數(shù)據(jù)庫主要表現(xiàn)在：用戶在決策過程中，通過訪問空間數(shù)據(jù)庫獲得空間數(shù)據(jù)，在決策過程完成后再將決策結(jié)果存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫中。概念：某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合。特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量特別大;既有屬性數(shù)據(jù)，又有空間數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理程序庫(數(shù)據(jù)庫軟件)原始信息數(shù)據(jù)庫第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一空間數(shù)據(jù)的組成：從類型上分有柵格數(shù)據(jù)庫和矢量數(shù)據(jù)庫兩類，其中柵格數(shù)據(jù)包括航空遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)；矢量數(shù)據(jù)則包括各種空間實(shí)體數(shù)據(jù)（圖形和屬性數(shù)據(jù)）影像數(shù)字高程模型空間數(shù)據(jù)庫空間對(duì)象空間對(duì)象空間對(duì)象圖空間數(shù)據(jù)庫組成第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一舉例第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一傳統(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(guān)性不連續(xù)相關(guān)性小連續(xù)較強(qiáng)空間相關(guān)性實(shí)體類型/空間關(guān)系少簡單固定多復(fù)雜且不固定記錄長度結(jié)構(gòu)化等長非結(jié)構(gòu)化不等長查詢與操作文字、數(shù)字文字?jǐn)?shù)字空間圖形第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一5.2空間數(shù)據(jù)管理

GIS數(shù)據(jù)庫除了一般數(shù)據(jù)特征外，還具有一些區(qū)別于其他一般數(shù)據(jù)庫的特征，表現(xiàn)在以下七個(gè)方面：空間特征抽象特征空間關(guān)系特征多尺度與多態(tài)性非結(jié)構(gòu)化特征分類編碼特征海量數(shù)據(jù)特征第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一文件/關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理OID（目標(biāo)ID或內(nèi)部連接碼）圖形數(shù)據(jù)屬于數(shù)據(jù)在GIS工作工程中，通常需要同時(shí)啟動(dòng)圖形文件系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)系統(tǒng)，甚至兩個(gè)系統(tǒng)來回切換，使用起來很不方便。圖形用戶界面圖形處理圖形文件庫圖形用戶界面DBMS屬性數(shù)據(jù)庫第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一全關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理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)制塊屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時(shí)采用關(guān)系式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，在標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫上增加空間數(shù)據(jù)管理層，即利用該層將GeoSQL轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)SQL查詢，借助索引數(shù)據(jù)的輔助關(guān)系實(shí)施空間索引操作?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)不必進(jìn)行煩瑣的連接，數(shù)據(jù)存取較快屬間接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特別是涉及空間查詢、對(duì)象嵌套等復(fù)雜的空間操作GIS軟件：System9，SmallWorld、Geovision等第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理這種擴(kuò)展的空間對(duì)象管理模塊主要解決了空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，由于由數(shù)據(jù)庫軟件商進(jìn)行擴(kuò)展，效率要比前面所述的二進(jìn)制塊的管理高得多。許多數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件商紛紛在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲(chǔ)和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Oracle和Informix等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點(diǎn)、線、面、圓、長方形等空間對(duì)象的API函數(shù)。用戶不能根據(jù)GIS要求對(duì)其進(jìn)行再定義，一般不帶拓?fù)潢P(guān)系。但是它仍然沒有解決對(duì)象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不能由用戶任意定義，使用上仍然受到一定限制。GIS軟件：TIGER，Geo++、GeoTropics等GIS界面空間數(shù)據(jù)處理RDBMS空間數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充實(shí)體類型（點(diǎn)、線、面、圓等）第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一文件關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理兩個(gè)子系統(tǒng)分別存儲(chǔ)和檢索空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，使用一種標(biāo)識(shí)符將兩者聯(lián)系起來屬性數(shù)據(jù)建立在RDBMS上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索比較可靠、有效；幾何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)關(guān)系系統(tǒng)中，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(chǔ)，數(shù)據(jù)的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一幾何數(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(jí)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(jí)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43頁，2023年，2月20日，星期一柵格數(shù)據(jù)的管理基于文件的影像數(shù)據(jù)庫管理文件結(jié)合數(shù)據(jù)庫影像管理基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一目前大部分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(diǎn)：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文件管理方式第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一影像數(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(gè)文件都有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)對(duì)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)005011002Image005011001Image004011003Image003…………011002Image002011001Image001塊號(hào)影像名稱影像信息數(shù)據(jù)庫表影像數(shù)據(jù)的文件管理第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一關(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(chǔ)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(shí)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(diǎn)：所有數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)安全，易于共享較方便管理多數(shù)據(jù)源和多時(shí)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(duì)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(dòng)接口訪問，有利于數(shù)據(jù)的一致性和完整性控制，數(shù)據(jù)不會(huì)被隨意移動(dòng)、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(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以在不同操作系統(tǒng)平臺(tái)下運(yùn)行第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一GIS應(yīng)用軟件空間及屬性數(shù)據(jù)文件GIS應(yīng)用軟件空間及屬性數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展DBMS以容納空間數(shù)據(jù)商業(yè)數(shù)據(jù)庫GIS應(yīng)用軟件空間及屬性數(shù)據(jù)庫用戶設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫GIS應(yīng)用軟件空間數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的軟件管理屬性數(shù)據(jù)的DBMSGIS數(shù)據(jù)管理方法的4種主要類型：第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一空間數(shù)據(jù)索引空間索引概念

根據(jù)空間對(duì)象位置和形狀或空間對(duì)象的某種空間關(guān)系，按一定順序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含空間對(duì)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(duì)象范圍索引格網(wǎng)索引四叉樹索引R樹和R+樹索引第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一空間索引：對(duì)象范圍索引IDXmaxXminYmaxYmin1…………2…………3………………………4YmaxYminXminXmax空間對(duì)象集合123456檢索窗口XNYWYEXSXmax≥XNORXmin≤XSORYmax≥YEORYmin≤YW空間對(duì)象不被檢索XE≤Xmax，Xmin≤XNANDYW≤Ymax，Ymin≤YE空間對(duì)象被檢索XNYWYEXS236第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一空間索引：格網(wǎng)索引P(3,3)=6P(3,1)=4P(3,2)=103412P(2,3=1P(2,1)=7P(2,2)=83142頭指針I(yè)DP10

20304052607334123142375210489168590109鏈指針第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)例展示Access中的數(shù)據(jù)庫建庫及連接使用說明

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以09地信電話本管理系統(tǒng)為例本項(xiàng)目旨在讓同學(xué)們熟悉簡單的數(shù)據(jù)庫建庫及數(shù)據(jù)庫的使用過程1、1在microsoftaccess中通過新建文件——新建空數(shù)據(jù)庫——通過輸入數(shù)據(jù)創(chuàng)建表：09GIS，在表中輸入相關(guān)信息，保存為09地信電話本.mdb,一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫即創(chuàng)建成功。如下圖所示：第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2.在開發(fā)成功的“09電話本管理系統(tǒng)”中連接數(shù)據(jù)庫：點(diǎn)擊系統(tǒng)管理—連接數(shù)據(jù)庫—09地信電話本，下面即可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作了：

第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3.、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的操作3。1添加聯(lián)系人：

第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期