空间数据库课件概要

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1、空间数据库,Summarization of Spatial Database,空间数据库,课程名称：空间数据库 学时： 45 学习方法：理论讲授与上机实践相结合 考核： 平时30-40% 考查70-60% 联系Email： zplcy 授课教师： 张鹏林,名称：空间数据库 编著： 吴信才 出版：科学出版社,教材信息,地理空间数据库原理 崔铁军编著 科学出版社 空间数据库 (美)Shashi Shekhar等 机械工业出版社 SPATIAL DATABASES Philippe Rigaux 等 Morgan Kaufmann Publishers 其他有关地理信息系统和数据库的著作,参考资料

2、,与其他课程的关系,课程大纲,数据库及空间数据库 空间实体的抽象与表达 空间数据模型 空间数据的组织与索引 空间数据查询与访问 商用空间数据库系统,Ch1 数据库及空间数据库,数据库系统回顾 空间数据库 新型数据库 空间数据库举例,1 数据库管理系统回顾,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型,什么是数据库?,存储在计算机环境中的相互关连的数据集 在这样的环境中，数据是永久的，也就是说它可以幸免于软件和硬件的问题（除非是磁盘崩溃）。 大数据卷和持久性是数据库最大的两个特点。,数据库的英文是DATA BASE，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理

3、数据的基地。,Application programs/queries,Software to process queries,Software to access stored data,Stored database,Stored database definition metadata,一个简单的数据库系统环境,DBMS,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型,数据库系统的构成,数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合； 数据库管理系统是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作； 数据库系统指由硬件设备、软件系统、专业领域

4、的数据体和管理人员构成的一个运行系统。,操作系统,数据库管理系统,应用软件、管理人员,硬件,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型 新型数据库系统,数据库系统的发展,层次数据库系统 网状数据库系统,层次数据模型 网状数据模型,关系数据库系统,关系数据模型,面向对象数据库系统,面向对象数据模型,数据库基础知识,什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展 数据库中的数据模型 新型数据库系统,数据库中的数据模型,数据模型是客观事物及其联系的数据描述 主要的数据模型 层次 网状 关系 面向对象的数据模型 约束数据模型,数据模型实例,以地图M为例：

5、 地图M中有两个面实体 多边形由a,b,e组成 M 多边形由b,c,d组成 1 a a边的两个端点是1，2 e 2 b边的两个端点是2，4 4 b c c边的两个端点是2，3 d d边的两个端点是3，4 3 e边的两个端点是1，4,层次模型例,网络模型例,关系模型例,面向对象的几何数据模型,Class M tuple (name: string, geometry: Region, polygons: set (Ploygon),Class Ploygon tuple (name:string, boundary: list(line),Class Line tuple (name: stri

6、ng, geometry: line, points: set (Point),Class Point tuple (x:real, y:real),约束空间数据模型,P1= V P2=,a, b, c, d, e分别可用直线公式表示,2 空间数据库,内 容,Spatial Data Why？ What？,空间数据,数据 是指客观事务的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述。 空间数据 是对现实世界中空间对象（事物）的描述，其实质是指以地球表面空间位置为参照，用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等诸多方面信息的数据。,空间数据特征,空间数据具有三大基本特征：空间、时间和专题属性。

7、空间特征 空间特征是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地物的空间关系。 时间特征 空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算得到的,空间数据特征（Cont.）,专题特征 专题特征亦指空间现象或空间目标的属性特征，它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，如地形的坡度、波向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。 此外，空间数据还具有多维、多尺度和海量等非空间数据所不具备的特征。,内 容,Spatial Data Why？ What？,Why?,传统形式 Paper map Journal Explanation 空间信息的

8、新特点要求新的数字信息表达形式 数据量大（如，每天采集的卫星影像在Tbyte范围） 内在结构的复杂性特点,Why?,地理信息根据不同的应用和获取方式表现出多样性 主要数据集 GPS RS Aerial photographs 现存地图，综合已经存在的多种数字数据源而产生,Why？,与一般统计数据相比空间数据更复杂，表现在： 数据类型多（几何数据、关系数据、辅助数据） 数据操纵复杂 一般数据检索、增加、删除等 定位检索、拓扑关系检索等 数据输出多样（数据、报表、图形） 数据量大，空间数据种类多 测量、统计数据、文字 地图、影像等,空间数据的非结构化特征 事务数据库：数据记录一般是结构化的 每一个

9、记录有相同的结构和固定的长度，记录中每个字段表达的只能是原子数据，内部无结构，不允许嵌套记录 空间数据：这种结构化不能满足要求 地理实体的空间坐标： 实体位置、大小形状 拓扑关系 空间数据的组织和管理不同于一般的事务性数据,内 容,Spatial Data Why？ What？,What？,空间数据库的定义 空间数据管理的发展过程 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容,什么是空间数据库 指以特定的信息结构（如国土、规划、环境、交通等）和数据模型（如关系模型、面向对象模型等）表达、存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。,空间数据库定义,地理空间数据与地

10、理空间数据库,地理空间数据 指带有地理坐标的空间数据，包括资源、环境、经济和社会等领域的一切带有地理坐标的数据。 是空间数据的一种特殊类型； GIS中的地理空间数据是对地理实体的空间特征和属性特征的数字描述 注：本课程中我们不加区别的使用空间数据和地理空间数据,What？,空间数据库的定义 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容 空间数据管理的发展过程,空间数据库的内容,矢量地形图数据库 以矢量数据结构描述的水系、等高线、境界、交通、居民地等地形要素构成的数据库 数字高程模型库 是定义在平面X，Y上规则格网点上高程数据集构成的数据库 影像数据库 由各种航空航天遥感数据或经过扫描处理的影像数据构

11、成的数字正射影像数据库,数字栅格地形图 纸质地形图扫描后经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理得到数字数字栅格地图 专题地图 土地利用数据 地籍数据 规划管理数据 道路数据 文物保护数据等,元数据 描述数据库/子库和库中个数字产品的元数据构成的数据库,空间数据库的内容（Cont.）,What？,空间数据库的定义 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容 空间数据管理的发展过程,空间数据库的研究内容,空间数据库的主要任务是研究地理空间物体的 空间数据表达模型 空间数据组织模型 空间数据存储结构 空间索引技术 目的: 以最小的代价高效地存储和处理空间数据; 维护空间数据的现实性,一致性和完整性;

12、为用户提供现实性好,准确性高,完备,开放和易用的地理空间数据 空间数据查询访问技术,What？,空间数据库的定义 空间数据库的内容 空间数据库的研究内容 空间数据管理的发展过程,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统 约束数据库系统,人工管理阶段,20世纪50年代中期 数据不保存：计算机主要用于科技计算，不需要将数据长期保存，需要时输入数据； 没有数据管理软件 数据冗余：一组数据对应于一个程序；,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全

13、关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,20世纪60年代中期 把数据的存取抽象为一种模型，使用时给出文件名称、格式和存取方式等，其余的由文件管理系统完成,文件系统阶段,特点： 数据冗余较大 每个文件都是为特定的用途设计的 同样数据在多个文件中重复存储 程序和数据之间的独立性较差，应用程序依赖于文件的存储结构，修改文件存储结构就要修改程序。 对数据的表示和处理能力较差，文件的结构和操作比较单一，不够丰富。 数据不一致，更新时会造成同一数据在不同文件中的不一致。 数据联系弱，文件与文件之间是独立的，文件之间的联系必须通过程序来构造。,文件系统阶段(Cont.),空间

14、数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统 约束数据库系统,20世纪70年代初期 1981年ESRI推出第一个商用地理信息产品。真正有效地将地理空间技术和数据库集成于一个系统,文件与数据库系统混合管理阶段,OID 图形数据 属性数据,图形数据,OID,属性数据,文件与数据库系统混合管理阶段(Cont.),用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据: 属性数据存储在常规的RDBMS中； 几何数据存储在空间数据文件系统中； 两个子系统间用标识符联系起来（即通过关键字联系）。,图幅内空间数据

15、的组织,混合结构管理模式的特点,优点：由于一部分建立在标准的RDBMS上，存储和检索数据比较有效、可靠。 缺点： 由于使用了两个子系统，它们各自有自己的规则，查询操作难以优化，存储在RDBMS外的数据有时会丢失数据项的语义。 数据完整性的约束条件可能遭破坏，如在几何空间数据系统中目标实体仍存在，但在RDBMS中却已删除。,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,全关系型空间数据库管理系统,20世纪70年代后期 图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理,全关系型空间数据库管理

16、系统(Cont.),采用同一DBMS存储空间数据和属性数据，即在标准的关系数据库上增加空间数据管理层; 利用该层将结构查询语言（GeoSQL）转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。,全关系型空间数据管理模式的特点,优点：省去了空间数据库和属性数据库间的繁琐连接，空间数据存取速度快。 缺点：由于是存取、效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查询过程复杂。,空间数据管理的发展过程,人工管理阶段 文件管理阶段 文件与数据库系统混合管理阶段 全关系型空间数据库管理系统 对象关系数据库管理系统 面向对象的数据库系统,对象关系数据库管理系统,对关系数据库管理系统进行扩展，使之能管理非结构化的空间数据,GIS厂商开发的空间数据管理模块 ESRI : SDE MapInfo: Spatialware 关系数据库管理系统