地理信息系统 空间数据组织与管理-1讲解

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1、第5章 空间数据组织与管理 1 pGIS定义？ n地理信息系统（Geographical Information System, GIS）是 一种特定的十分重要的空间信息系统，它是在计算机硬件 、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层 ）空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、 模拟、分析、显示和描述的技术系统。 p矢量数据、栅格数据 p存储到哪里？ p以何种方式来存储？ p如何来管理？ 第5章 空间数据组织与管理 5.1 空间数据库概述 5.1.1 数据库概述 5.1.2 空间数据库 5.1.3 数据库中数据组织层次 5.1.4 数据间的逻辑联系 5.1.5 数据库的数据模

2、型 5.2 空间数据管理 5.2.1 矢量数据的管理 5.3.2 栅格数据的管理 3 5.1.1 数据库概述 人工管理阶段 应用程序与数据之间的关系 1.数据管理技术的发展过程 1）人工管理阶段 n数据不保存 n应用程序管理数据 n数据不共享 n数据不具有独立性 2）文件管理阶段 3）数据库管理阶段 2）文件管理阶段： n数据可以长期保存 n由文件系统管理数据 n数据共享性差，冗余度大 n数据独立性差 文件系统阶段 应用程序与数据之间的关系 1.数据管理技术的发展过程 3）数据库管理阶段：由DBMS管理 1）数据结构化 2）数据的共享性高，冗余度低，易扩充 3）数据独立性较强 4）数据由DBM

3、S统一管理和控制 数据库系统阶段 应用程序与数据之间的关系 1.数据管理技术的发展过程 5.1.1 数据库概述 2. 建立数据库的目的： 1.为了保存数据，扩展人的记忆， 2.主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据 相关联的事物。 3. 数据库定义： 数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特 定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数 据集合。 数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共 享的数据集合。 7返回返回 5.1.2 空间数据库 1. 空间数据库的定义 p地理信息系统的数据库（空间数据库）：某一区 域内关于一定地理要素特征的数据集合。 n空间数据库是存取、管理空间信息的数据库

4、。 3.空间数据的特征 1）空间特征 2）非结构化特征 3）空间关系特征 4）多尺度与多态性 5）分类编码特征 6）海量数据特征 一种地物类型对应一个属性数据表文件。 多种地物类型共用一个属性数据表文件。组织 拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维 护增加了复杂性。 拓扑关系的构建 空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对 象，需要嵌套记录。 一般需要建立空间索引。 4.传统数据库与空间数据库的比较 传统 数据库空间数据库 数据连续 性/相关性 不连续 相关性小 连续 较强空间相关性 实体类型/空间关系 少 简单 固定 多 复杂且不固定 记录长 度 结构化 等长 非结构化 不等长 查询 与操作文

5、字、数字 文字数字 空间图 形 返回返回 5.1.3 数据库中数据组织层次 分为四级：数据项、记录、文件和数据库。 1.数据项(元素/基本项/字段)：定义数据的最小单位 2.记录：由若干相关联的数据项组成。 3.文件：一给定类型的记录的全部具体值的集合。 4.数据库：若干文件的集合。 数据库是具有特定联系的数据的集合，也可 看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。 11 文件数据库 field1field2 Record1 110AB Record2 115CD Record3 89EF Recordn 返回返回 p是指记录与记录之间的联系。 1、一对一的联系(1：1) 学生学号 2、一对多

6、的联系(1：N) 河流跨河桥梁 3、多对多的联系(M：N) 农作物地理环境 学生课程 5.1.4 数据间的逻辑联系 12 A B AB A B AB 返回返回 5.1.5 数据库的数据模型 p传统数据模型： 1.层次模型 2.网状模型 3.关系模型 4. 面向对象的数据模型 其中应用最广泛的是关系模型？ 13 （1）层次数据库模型（Hierarchical Model） p是用树形结构来表示实体及实体间联系的模型， 它将数据组织成一对多的联系，即一个父记录对 应多个子记录，而一个子记录只对应一个父记录 。 p层次关系，一对多 14 （1）层次数据库模型 p优点： 1.存取方便且速度快 2.结构

7、清晰，容易理解 3.数据修改和数据库扩展容易实现 4.检索关键属性十分方便 p缺点： 1.结构呆板，数据独立性差 2.插入和删除操作复杂，必须慎用删除操作， 3.处理低层次对象效率低，难以进行反向查询 4.模拟多对多的联系时导致存储数据的冗余 5.不适合于拓扑空间数据的组织 15 （2）网络数据库模型（Network Model） p网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连 接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 。 p没有明确的从属关系 16 学生甲学生乙学生丙学生丁 课程1课程2课程3课程4 M III abcdefg 123456 （2）网络数据库模型 p优点： n能明确而方便地表示

8、数据间的复杂关系,数据冗余 小 n具有一定的数据独立性和共享性 p缺点： n网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难 。 n需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大 n数据的修改不方便（指针必须修改） n不支持层次结构的表达 17 （3）关系数据库模型（Relational Model） p关系模型是用二维表来表示实体及实体间联系的模型，它 将数据组织成规范化的表格。一个实体由若干关系组成， 关系表的集合就构成了关系模型。 p表而非指针，关系代数和关系运算来操纵数据 18 图层多边形 MI，II 多边形 ID 弧段 Ia,b,c,d IIc,e,f,g 弧段ID 起点 终点 a12 b23

9、c34 d41 e35 f56 g64 二维关系表 数据项（属性） 列column/字段field 记录 行row （3）关系数据库模型 p优点： n结构特别灵活，使用和维护方便 n具有严密的数学基础和操作代数基础，正反查询 方便 n能搜索、组合和比较不同类型的数据 n增加和删除数据非常方便 p缺点： n数据库大时，查找满足特定关系的数据耗费时间 较多 n为了用规范化关系描述复杂对象需进行不自然分 解 n对空间关系无法满足 19 标准DBMS存储空间数据的局限性 1.空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而 一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定 2.在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在

10、着严重 缺陷 3.一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含 、叠加等基本操作 4.不能支持复杂的图形功能 5.单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录， 一般的DBMS也难以支持 6.难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要 的复杂的安全维护 20 （4) 面向对象数据库模型（Object Oriented Model） p面向对象（object-oriented，OO）的概念起源于 程序设计语言面向对象的编程语言(简称 OOPL)，强调对象概念的统一，引入对象、类、 方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继 承性机制。 p它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体 ，建立OO计算环

11、境，配有很强的图形功能和多 窗口用户界面。 p基本出发点：以对象作为最基本的元素，尽可能 按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解 决问题。 21 1基本概念 p对象：面向对象的基本单位。对象是一个拥有属性、行为 和标识符的实体。对象是类的实例，对象的属性和行为在 类定义中定义。如电视的属性有:品牌,尺寸,重量等.操作 有:收视,选台,音量调节等 p类：是具有相同属性结构和操作方法的对象的集合。 p消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。 p方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。 p实例：是由一特定类描述的具体对象。 p对象具有封装性、继承性和多态性，涉及到分类（ clas

12、sification）、概括（generalization）、聚集（ aggregation）、联合（association） 、继承（inheritance ）和传播（propagation）等概念。 22 2面向对象的几何抽象类型 pGIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类 型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组 成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物 类型的超类。 23 3面向对象的属性数据模型 pGIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划 分类型。 n如一个大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化 、管线等几大类， n地物类型的每一大类又可以进一

13、步分类， p如建筑物可再分成教学楼、实验楼、行政办 公楼、图书馆、体育馆、教工住宅、学生宿舍、食 堂、后勤服务建筑等子类， p管线可再分为给水管道、污水管道、电信管 道、供热管道、供气管道等。 24 4面向对象数据库系统的实现方式 p特点： 1.巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想，能 有效地表达空间数据的拓扑关系。 2.面向对象数据模型在表达和处理属性数据时， 又具有许多独特的优越性。 p三种实现方式： 1.扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在 OOPL中增加DBMS的特性 2.扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特 性 3.建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS 25

14、返回返回 5.2 空间数据管理 5.2.1 矢量数据的管理 5.2.2 栅格数据的管理 26 5.2.1 矢量数据的管理 p对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分 开组织的。 1.基于文件管理 2.文件与关系数据库混合管理 3.全关系型空间数据库管理 4.对象-关系数据库管理 5.面向对象空间数据库管理 27 1.基于文件管理 p各个地理信息系统应用程序对应各自的空间和属 性数据文件，当两个GIS应用程序需要的数据有 相同部分时，可以提出来作为公共数据文件。 pGIS软件：MapInfo p缺点： 1）程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改 时，应用程序也随之需要改变。 2）以文件形式

15、共享，当多个程序共享一数据文件时 ，文件的修改，需得到所有应用的许可。不能达 到真正的共享，即数据项、记录项的共享。 28 2.文件-关系数据库混合管理 p两个子系统分别存储和检索空间数据和属性数据，使用一 种标识符将两者联系起来 p属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索可靠、有效 ； p缺点： 属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算，模型 操作运算速度慢； 数据分布和共享困难； 属性和图形数据分开存储，数据的安全性、一致性、完整 性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能 ； 缺乏表示空间对象及其关系的能力。 pGIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENE

16、MAP等。 29 30 几 何 数 据 属 性 数 据 ID 数 据 文 件 数 据 库 早 期 图形用户界面 图形处理DBMS 属性用户界面 图形 文件库 属性 数据库 GIS用户界面 图形处理DBMS 图形 文件库 属性 数据库 高级语言ODBC协议 GIS用户界面 图形处理DBMS 图形 文件库 属性 数据库 高级语言 数据库开发语言 数据库开发 数据库开发 3.全关系型空间数据库管理 p图形数据与属性数据都采用关系型数据 库存储。 p本质： nGIS软件商在标准DBMS顶层开发一个 能容纳、管理空间数据的系统功能。 p特点： n空间数据和属性数据不必进行烦琐的连 接，数据存取较快 n属性间接存取效率比DBMS的直接存取 慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等 复杂的空间操作 pGIS软件：System9，Small World， Geovision等 31 GIS应用 扩展DBMS以容纳 空间数据 商用DBMS 空间和属性 数据库 全关系型数据库的本质 用RDBMS管理图形数据有两种模式： a、基于关系模型的方式，图形数据