第1章-空間數(shù)據(jù)庫概述課件

第一章空間數(shù)據(jù)庫概述第一節(jié)空間數(shù)據(jù)庫概念第二節(jié)空間數(shù)據(jù)庫的研究內(nèi)容1一、為什么要研究空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫（DataBase，簡稱DB）：存放數(shù)據(jù)的倉庫。長期存儲在計算機內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。2一、為什么要研究空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，簡稱DBMS）：位于用戶和操作系統(tǒng)之間的，管理控制DB的建立、運行和維護的軟件。具有數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)庫運行、數(shù)據(jù)庫建立和維護功能。屬性數(shù)據(jù)！3一、為什么要研究空間數(shù)據(jù)庫GIS的出現(xiàn)激發(fā)了人們開發(fā)空間數(shù)據(jù)庫的興趣。GIS提供了便于分析地理數(shù)據(jù)和將地理數(shù)據(jù)可視化的機制。GIS可以對某些對象和圖層進行多種操作。GIS還可以用來處理海量空間數(shù)據(jù)。而實際上GIS就是空間數(shù)據(jù)庫的前端！4一、為什么要研究空間數(shù)據(jù)庫例如“列出2011年銷售總額的前十位顧客”對DBMS而言很簡單順序掃描或者索引5一、為什么要研究空間數(shù)據(jù)庫例如“列出居住在離公司總部50公里以內(nèi)的顧客”這會難住普通的DBMS要處理這個查詢，必須把公司總部和顧客的地址變換到一個能夠計算和比較距離的適當參照系中，可能是經(jīng)緯度坐標系，然后數(shù)據(jù)庫掃描顧客列表計算顧客和公司之間的距離如果距離小于50英里保存顧客名字。這一過程無法用索引來縮小搜索范圍，因為傳統(tǒng)索引無法處理多維數(shù)據(jù)的排序問題。

所以迫切需要能處理空間數(shù)據(jù)和查詢的數(shù)據(jù)庫。6二、定義：空間數(shù)據(jù)庫（SpatialDataBaseManagementSystem，SDBMS）描述、存儲和處理空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。7三、空間數(shù)據(jù)庫的作用1、對海量數(shù)據(jù)的管理能力。2、空間分析功能。3、設計方式靈活，滿足用戶要求。4、支持網(wǎng)絡功能。8四、空間數(shù)據(jù)庫的特征多種數(shù)據(jù)類型特征（5D產(chǎn)品，矢量或柵格）空間特征（空間位置、空間屬性、空間關系）非結構化特征（屬性定長結構、空間坐標和空間關系變長結構）圖形圖像特征（結果可視化）數(shù)據(jù)編碼特征（數(shù)據(jù)分類分級編碼）海量數(shù)據(jù)特征9五、SDBMS的發(fā)展文件管理方式二元化空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)全關系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對象－關系空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)101、文件管理方式最初當數(shù)據(jù)庫技術還不是很成熟的時候,GIS應用采用文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。每個GIS應用都對應自己的空間和屬性數(shù)據(jù)文件,當多個應用需要訪問的數(shù)據(jù)有相同部分時,就將這些數(shù)據(jù)提取出來,存放在一個新的公共數(shù)據(jù)文件中。11圖形文件屬性文件GIS應用文件圖形信息屬性信息數(shù)據(jù)文件1數(shù)據(jù)文件1數(shù)據(jù)文件nGIS應用1GIS應用2GIS應用n公共數(shù)據(jù)文件1122、二元化空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)定義：屬性數(shù)據(jù)用關系數(shù)據(jù)庫管理，坐標數(shù)據(jù)用文件管理，兩者間建立聯(lián)系優(yōu)點：實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理、速度較快缺點：數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制性、數(shù)據(jù)恢復較差，沒有解決空間對象反向檢索問題13圖形文件GIS應用文件關系數(shù)據(jù)庫圖形信息屬性信息143、全關系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)定義：屬性數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)用關系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理關系數(shù)據(jù)庫提供了Binay（二進制）字段，變長的坐標數(shù)據(jù)采用該字段管理優(yōu)點：一體化管理，數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制性、數(shù)據(jù)恢復較好缺點：速度慢，沒有解決空間對象反向檢索問題154、對象－關系空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)定義：關系數(shù)據(jù)庫推出了空間數(shù)據(jù)管理的模塊，定義了操縱空間對象的API函數(shù)，屬性數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)用關系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理優(yōu)點：一體化管理，數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制性、數(shù)據(jù)恢復較好，速度較快缺點：部分解決空間對象反向檢索問題164.對象——關系數(shù)據(jù)庫管理實現(xiàn)：在關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進行擴展，使之能直接存貯和管理非結構化的空間數(shù)據(jù)，主要解決了空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，由數(shù)據(jù)庫軟件商進行擴展，效率要比前面所述的二進制塊的管理高得多。但是仍然沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結構也不能由用戶任意定義，使用上仍然受到一定限制。17GIS廠商開發(fā)的空間數(shù)據(jù)管理模塊

ESRI:ARCSDEMapInfo:Spatialware關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)廠商直接開發(fā)的空間數(shù)據(jù)管理模塊

OracleSpatialInformixIngresDB2185、面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)定義：能滿足上述所有需求它不僅支持變長記錄，而且支持對象的嵌套、信息的繼承與聚集。允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結構以及它的操作。這種空間數(shù)據(jù)結構可以是不帶拓撲關系的面條數(shù)據(jù)結構，也可以是拓撲數(shù)據(jù)結構，當采用拓撲數(shù)據(jù)結構時，往往涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型不成熟沒有面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)19第二節(jié)空間數(shù)據(jù)庫的研究內(nèi)容空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)的管理方式空間數(shù)據(jù)查詢語言查詢優(yōu)化索引數(shù)據(jù)挖掘……20一、空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型就是尋求一種描述地理實體的有效的數(shù)據(jù)表示方法，根據(jù)應用要求建立實體的數(shù)據(jù)結構和實體之間的關系以便于應用。經(jīng)典的空間數(shù)據(jù)模型分為兩大類：基于場的和基于對象的模型。211基于場的模型基于場的數(shù)據(jù)模型中，將信息空間視為在空間結構上一定分布的集合體，每一個空間分布被規(guī)則化成一個從空間框架到空間屬性的數(shù)據(jù)函數(shù)。22基于場的模型使用矩陣或柵格的單元來顯示、定位和存貯地理數(shù)據(jù)：利用一個唯一的參考坐標代表每個在矩陣邊緣或內(nèi)部的單元或點，而每個單元或點上被賦予離散的屬性值；基于場的模型中的分辨率依賴于單元或柵格的大小，不同的場模型中的分辨率可能有很大的差別。23GIS常常需要在不同的數(shù)據(jù)層存貯各種不同的信息如植被、土質(zhì)、水文或其他信息等，不同的數(shù)據(jù)層對應不同的地理屬性。數(shù)字區(qū)域模型DTM（DigitalTerrainModel）和數(shù)字高程模型DEM（DigitalElevationModel）是典型的基于場的空間數(shù)據(jù)模型。242基于對象的模型基于對象的模型以帶有屬性數(shù)據(jù)的點、直線、曲線或區(qū)域來顯示地理數(shù)據(jù)：笛卡爾坐標系統(tǒng)及其上的算法定義了向量系統(tǒng)中的點、直線和曲線都可以用點來表示，即，可視為一個有序點集?；趯ο蟮哪Ｐ涂梢苑奖愕拇尜A空間拓撲關系，也適用于方位、距離分析，相對于基于場的模型，要求更少的存貯空間但要求更復雜的數(shù)據(jù)結構。25GIS成功的關鍵取決于人們對現(xiàn)實世界認識和模擬的正確程度。由于面向?qū)ο蟮姆椒軌蚰M和操縱復雜對象，能夠?qū)⑷藗儗τ诘乩砜臻g的認識正確映射到計算機內(nèi)，面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想正逐步成為GIS開發(fā)的基本方式。26用面向?qū)ο蟮挠^點來看，可將地理空間數(shù)據(jù)歸結為空間實體、圖層、地圖3個層次：地理空間實體：指具有空間分布特征和一定幾何形態(tài)的事物和現(xiàn)象，可分為資源、環(huán)境、經(jīng)濟和社會以及地質(zhì)、地形、氣候、植物、耕地、水文、經(jīng)濟與社會等。包括空間要素和屬性要素。27圖層：指一定空間范圍內(nèi)具有相同屬性要素的一組同類地理空間實體。需要注意的是，GIS中圖層概念并不是地理空間實體的簡單堆砌，而是在某種特殊應用領域下空間實體的組合，并且相互之間有著密切的聯(lián)系。采用圖層的方式來組織地理空間數(shù)據(jù)可以表達地理空間數(shù)據(jù)的分布性：（1）對于地理位置上分布的空間數(shù)據(jù)，可以按空間范圍劃分圖層，如全國鐵路交通圖，就可以由各個省市的鐵路交通圖組成；（2）對于空間范圍相同的空間數(shù)據(jù)，可根據(jù)應用的需要（即專題）人為地劃分到不同的圖層里，如武漢市交通圖，按交通的種類可分為一級，二級公路等圖層。28地圖：指在實際應用系統(tǒng)中為表達更現(xiàn)實的語義而對圖層按照空間范圍或?qū)ｎ}進行的組合。如城市規(guī)劃地圖上，包括交通，電力，水力，煤氣管道等多個圖層，對應于現(xiàn)實生活中城市規(guī)劃時需要牽涉到的各個部門。29空間要素地理空間數(shù)據(jù)庫地圖圖層圖層圖層地理空間實體庫屬性要素30二、空間數(shù)據(jù)查詢語言空間查詢空間數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)屬性查詢空間數(shù)據(jù)庫SQL？？？31目前,空間查詢語言的設計大體有基于SQL擴展的空間查詢語言可視化查詢語言自然查詢語言。32四、查詢優(yōu)化由于空間數(shù)據(jù)具有結構復雜、數(shù)據(jù)量龐大等特點，使得面向空間數(shù)據(jù)的查詢比單純的屬性數(shù)據(jù)查詢要復雜的多。因此空間數(shù)據(jù)查詢的效率成為了空間數(shù)據(jù)庫性能的瓶頸，而現(xiàn)有的關系數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化技術不能完全適用于空間數(shù)據(jù)，所以查詢優(yōu)化技術的研究勢必成為空間數(shù)據(jù)庫應用的難點和突破點。33初次過濾二次篩選空間數(shù)據(jù)庫不準確的候選集合最終查詢結果例如：將查詢分兩步進行：即初次過濾和二次篩選3451234671231235五、索引空間數(shù)據(jù)索引作為一種輔助性的空間數(shù)據(jù)結構,介于空間操作算法和地理對象之間,它通過篩選,排除大量與特定空間操作無關的地理對象,從而縮小了空間數(shù)據(jù)的操作范圍,提高了空間操作的速度和效率。36空間數(shù)據(jù)索引采用分割原理,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)域或單元包含空間數(shù)據(jù)并可惟一標識?？臻g索引是用特定的數(shù)據(jù)結構和算法來完成的,目前高效的空間索引有R樹、R+樹、格網(wǎng)索引法、BSP樹、KDP樹、CELL樹、四叉樹等。37六、數(shù)據(jù)挖掘“人們被數(shù)據(jù)淹沒，但卻饑餓于知識”數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)，又稱為數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)(KnowledgeDiscoveryinData