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1、 1 空 间 数 据 库 郭际元郭际元 周顺平周顺平 刘修国刘修国 编著 中国地质大学(武汉)信息工程学院 2 前前 言言 空间数据库(地图数据库)是地理信息系统的重要组成部分，因为地图是地理信息系统的主要载体。 地理信息系统是一种以地图为基础，供资源、环境以及区域调查、规划、管理和决策用的空间信息系统。在数据获取过程中，空间数据库用于存贮和管理地图信息；在数据处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。然而，地理与地图数据以其惊人的数据量与空间相关的复杂性， 使得通用的数据库系统难以胜任。 为此，就要用当代的系统方法，
2、在地理学、地图学原理的指导下，对地理环境进行科学的认识与抽象， 将地理数据库化为计算机处理时所需的形式与结构，形成综合性的信息系统。 目前，已形成商品的 GIS 系统中，多数是基于二维地图数据上进行存储、处理和分析。随着 GIS 应用领域的不断扩大，应用功能的不断增强，系统对空间数据的要求也越来越高。因此，传统 GIS 中空间数据库的管理能力已不能满足当前 GIS 对空间数据管理的需要。现今，GIS 业内人士在空间数据库的研究上正在进行新的探索和尝试， 以求得能满足 GIS 各种需要的空间数据的管理模式和数据模型。例如，三维空间数据模型、时态 GIS空间数据模型、 空间数据关系化模型、 网络
3、GIS 空间数据模型等。 本教材主要是围绕 GIS 系统中各种空间数据的管理模式和数据模型予以介绍， 其中包括传统 GIS 系统中用到的各种数据模型，例如矢量数据模型、栅格数据模型、符号库、海量空间数据3 的管理等； 同时也对上述的 GIS 专业人员正在研究的一些新的数据模型进行了叙述；教材中还融入了我院近年的部分科研成果。通过本教材的学习， 读者既可以掌握已成熟的空间数据库的管理模式和数据模型， 也可以了解当前空间数据库的最新动态和发展趋势。 本教材是在 2001 年编写的空间数据库讲义的基础上，经过三年的教学实践，在广泛征求意见的前提下，进行第三次修编的。 在教材的编写过程中， 始终得到吴
4、信才教授的关心和指导，并为本教材编写的指导思想和内容组织提出建议； 谢忠教授也为本教材提出了修改意见，在这里向他们表示感谢。由于本书的很多内容正处于研究探索之中，再加上我们水平有限，编写时间仓促，所以书中错误在所难免，欢迎同行专家和读者批评指正。 作作 者者 2004 年年 5 月月 12 日日 4 目目 录录 第一章 数据库概述1 1.1 数据库的概念1 1.2 数据模型3 1.3 数据库设计的三个步骤17 1.4 新型数据库系统26 1.5 空间数据挖掘技术及应用41 习题49 第二章 矢量地图数据库50 2.1 地图数据模型总论50 2.2 矢量数据模型57 2.3 空间索引63 习题8
5、7 第三章 栅格地图数据库88 3.1 栅格数据的基本概念88 3.2 栅格数据的组织与存储89 3.3 栅格数据库的检索99 3.4 海量影像数据库101 习题103 第四章 地图符号库104 4.1 地图符号库概述104 4.2 地图符号数据结构107 4.3 地图符号的显示109 习题114 第五章 三维空间数据模型115 5.1 空间维数讨论115 5 5.2 空间构模技术分类117 5.3 基于面模型的准 3D 空间构模118 5.4 基于体模型的真 3D 空间构模120 5.5 基于面-体混合的 3D 空间构模138 5.6 三维空间拓扑关系141 习题145 第六章 海量空间数据
6、组织与管理146 6.1 数据库中图幅的组织方法147 6.2 图幅间被分割目标的组织方法147 6.3 跨图幅地图漫游149 习题152 第七章 时态 GIS 数据库154 7.1 地理信息的时态性分析154 7.2 时态 GIS 数据模型156 7.3 时态 GIS 实现方法158 7.4 元组级基态修正法161 习题164 第八章 空间数据的关系化管理165 8.1 基于关系数据库的空间数据模型165 8.2 基于关系数据库的空间实体数据结构167 8.3 空间数据访问模型169 8.4 关系化空间数据的安全管理170 8.5 大型关系型数据库管理系统分布式体系结构的应用 172 习题1
7、73 第九章 网络 GIS 空间数据管理174 9.1 网络 GIS 主要构造模型175 6 9.2 分布式地理信息共享形式183 9.3 分布式空间数据管理技术188 9.4 网络 GIS 中地理空间元数据管理194 习题204 参考文献205 7 第一章 数据库概述 1.1 数据库的概念数据库的概念 数据库的英文是 DATA BASE，其意义为数据基地，即统一 存贮和集中管理数据的基地。这有些类似资料库，实际上资料库 的许多特征都可以从数据库中找到。在资料库中，各类资料都有 严格的分类系统和编码表，并存放在规定的资料架上，为管理和 查找资料提供了极大的方便。当资料的数据形式存放于计算机 时
8、，它已经失去直观性，更需要建立严密的分类和编码系统，实 现数据的标准化和规范化。 一、数据管理的文件方式 数据库系统是运用计算机技术管理数据的最新成就， 在这之 前，计算机数据管理经历了文件管理方式时期，亦称为文件管理 系统，它包含在计算机的操作系统中。文件方式是把数据的存取 抽象为一种模型： 使用时只要给出文件名称、 格式和存取方式等， 其余的一切组织与存取过程由专用软件文件管理系统来完 成（见图 1-1-1）。 应用程序 文件管理系统 数据文件 P1 F1 P2 FMS F2 Pn Fn 图 1-1-1 文件管理系统 8 文件管理系统的特点是： 1数据文件是大量数据的集合形式。每个文件包含
9、有大量 的记录，每个记录包含若干个甚至多达几十个以上的数据项。文 件和文件名面向用户并存贮在计算机的贮存设备上， 可以反复利 用。 2面向用户的数据文件，用户可通过它进行查询、修改、 插入、删除等操作。 3数据文件与对应的程序具有一定的独立性，即程序员可 以不关心数据的物理存贮状态，只需考虑数据的逻辑存贮结构， 从而可以大量地节省修改和维护程序的工作量。 4数据文件的缺点是只能对应于一个或几个应用程序，不 能摆脱程序的依赖性。数据文件之间不能建立关系，呈现出无结 构的信息集合状态，往往冗余度大，不易扩充，维护和修改。 二、数据库系统管理数据方式 数据库管理系统(DBMS)是在文件管理系统的基础
10、上进一步 发展的系统。 DBMS 在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁 作用。 DBMS 的最大优点是提供了两者之间的数据独立性。 即应 用程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存贮结构。当 数据文件的存贮结构改变时，不必改变应用程序（见图 1-1-2） 。 数据库管理系统的特点可概括如下： 1数据管理方式建立在复杂的数据结构设计的基础上，将 相互关联的数据集一文件并赋于某种固有的内在联系。 各个相关 文件可以通过公共数据项联系起来。 2数据库中的数据完全独立，不仅是物理状态的独立，而 且是逻辑结构的独立，即程序访问的数据只需提供数据项名称。 3数据共享成为现实，数据库系统的并发功能保证
11、了多个用 户可以同时使用同一个数据文件，而且数据处于安全保护状态。 4数据的完整性，有效性和相容性保证其冗余度最小，有9 利于数据的快速查询和维护。 应用程序 数据库管理员的 物理数据库 的逻辑文件 全面逻辑数据描述 局部 全局 逻辑观点 逻辑观点 逻辑数据 物理数据 变换 变换 图 1-1-2 数据库系统 三、数据库系统的构成 综合上述， 我们可以把与数据库有关的几个概念理解为： 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、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统。 1.2 数据
12、模型数据模型 数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具， 它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。 数据模型是一组描述数据库的概念。这些概念精确地描述数据、数据之间的关系、数据的语义和完整性约束。很多数据模型还包括一个操作集合。这些操作用来说明对数据库的存取和更新。数据模型应满足三方面要求：一是能真实地模拟现实世界；二是容易为人们理解；三是便于在计10 算机上实现。 数据库设计的核心问题之一就是设计一个好的数据模型。目前在数据库领域，常用的数据模型有：层次模型、网络模型、关系模型以及最近兴起的面向目标模型。下面以两个简单的空间实体为例(图 1-2-1)， 简述这几个数据模型中的数据组织形式及其特点。 M 1 a e 2 b 4 c d 3 图 1-2-1 地图 M 及其空间实体 一、层次模型 层次数据库模型是将数据组织成一对多(或双亲与子女)关系 的结构，其特点为： (1)有且仅有一个结点无双亲，这个结点即 树的根；(2)其它结点有且仅有一个双亲。对于图 1-2-1 所示多边 形地图可
