地理与生命科学学院,地理信息系统概论,第四章 地理信息系统空间数据库,第一节空间数据库概述 第二节空间数据库概念模型设计: 第三节空间数据库逻辑模型设计: 第四节空间数据库物理设计 第五节 空间数据库查询 第六节 空间数据库索引 第七节 空间元数据 第八节 空间数据库引擎 第九节 空间时态数据库,地图数据的存储管理,自古以来，地图就是地理空间信息的主要载体和传播工具 随着社会发展和科学技术进步，人们认知的地理空间的范围越来越大，对地图品种和数量的需求与日俱增，作为地理空间信息载体的地图的存储、管理与分发成为突出的问题 对于纸质的模拟地图，通过地图库存储和管理，这种方式一直沿用至今目前，以地理空间数据库，计算机地图制图和计算机网络技术为支撑的数字化地图制图已经取代了传统的手工地图制图、并正向以地理空间信息服务为核心的信息化数字化地图制图和地理信息系统转变 地图制图的思想观念、技术手段、产品形式和服务方式等都在发生深刻变化，地理空间数据的存储与管理也一直是业界关注的问题 借助成熟的数据库技术来存储管理GIS空间数据将是GIS空间数据存储管理的有效方式数据库是一个信息系统的基本且重要的组成部分 在GIS中，空间数据库作为空间数据的存储场所也发挥着核心的作用。
表现在：,空间数据库,用户,获得空间数据，进行空间分析、管理和决策,将分析结果存储到空间数据库,第一节 空间数据库概述,一、空间数据库的概念 空间数据库 主要是为GIS提供空间数据的存储和管理方法 可以理解为用于存储GIS空间数据的仓库； 空间数据的存储和管理通常有两种方式： 空间数据文件存储管理 空间数据库存储管理,空间数据文件存储和管理,空间数据文件存储和管理 MapInfo使用的.WOR和.TAB文件 ARCInfo使用的Coverage和Shapefile空间数据文件存储和管理的特点 一个GIS软件可以同时直接使用多个空间数据文件 一个空间数据文件可以同时为多个GIS软件共享 空间数据存储在不同的文件里造成数据是面向应用的，多个文件之间彼此孤立，不能反映数据之间的联系 易造成数据的冗余和不一致等问题,数据库的基本概念,数据库（Database）是数据库系统的简称， 是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联数据的集合 可以理解为存储数据的仓库 一个完整的数据库系统（DBS）包括： 数据库存储系统 数据库管理系统（DBMS） 数据库应用系统,空间数据库系统的组成,空间数据库系统也是由三个部分组成： 空间数据库存储系统： GIS在计算机存储介质上存储的，与应用相关的地理空间数据的总和。
空间数据库管理系统： 能够对介质上的地理空间数据进行语义和逻辑的定义， 提供必须的空间数据查询检索和存取功能， 以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统空间数据库应用系统： 由GIS的空间分析模型和应用模型组成的软件空间数据管理方式的发展,空间数据管理方式从文件管理发展到数据库管理 主要经历了四个阶段： （1）初级式的管理模式： ARCInfo的Coverage文件管理模式 其空间分析功能分别直接调用空间数据文件和属性数据文件 （即空间数据和属性数据分别进行处理）（2）混合式的管理模式： ArcInfo、ArcView的Shapefile文件 MapInfo的.TAB文件等 空间分析功能调用空间数据管理模块对空间数据文件进行处理，属性数据利用属性数据库进行管理3）扩展式的管理模式（引擎方式） ArcInfo的GeoDatabase（Spatial Database Engine，SDE） 在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎，以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理能力 （4）集成式的管理模式 Oracle Spatial Cartridge（对象-关系数据库） 直接对常规数据库管理系统进行功能扩展，加入一定数量的空间数据存储于管理功能,ArcGIS支持的对象-关系模型DBS,地理数据库支持使用 SQL 访问 DBMS 中的要素几何， ArcGIS支持的对象-关系模型的数据库系统： Oracle（使用 ArcSDE SQL 类型，或在使用 Oracle Spatial 的情况下使用 Oracle Spatial SQL 类型） IBM DB2 IBM Informix Microsoft SQL Server Informix PostgreSQL（如果要使用 PostGIS，则使用 ST_Geometry 或 PostGIS 几何类型）,二、空间数据库的设计,如果把构建一个GIS系统的项目以工程的方式来看待， 那么空间数据的收集整理以及空间数据的整理和空间数据库的构建将会占整个GIS工程的70%，甚至更多，并且这种现象在短期内不会发生太大改变。
空间数据库在整个GIS中占有极其重要的地位空间数据库的设计 其实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程 即如何将现实世界中的地理实体存储到计算机中，以备计算机分析使用的过程数据模型,数据模型： 即在数据库中用形式化的方法来描述数据的逻辑结构和各种操作 数据库中的数据模型包括 数据库的数据结构、 操作集合 完整性约束规则集合等 建立空间数据库系统数据模型的目的， 是揭示空间实体的本质特性，并对其进行抽象化，使之转化为计算机能够接受和处理的数据形式一）空间数据库设计的过程和步骤,空间 数据库,需求分析,地理现象 和过程,概念设计,逻辑设计,物理设计,数据库的 概念模型,数据库的 逻辑模型,数据库的 存储模型,现实世界,信息世界,计算机世界,模型设计,概念模型 是通过对错综复杂的现实世界的认识和抽象，即对各种不同专业领域的研究和系统分析、最终形成GIS的空间数据库和应用系统所需的概念化模型逻辑模型的设计 是把概念模型结构转换为计算机数据库系统所能够支持的数据模型存储模型 则是概念模型反映到计算机物理存储介质中的数据组织形式空间数据库设计步骤,空间数据库设计的过程，在设计的不同阶段要考虑不同问题。
一般设计步骤： 需求分析： 文档、合同 概念设计： E-R模型和面向对象数据模型 逻辑设计： 把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中位数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来 物理设计： 数据库存储结构和存储路径设计,（二）空间数据库设计的原则和技术方法,对空间数据库的设计要遵循以下原则： 尽量减少空间数据存储的冗余量 提供稳定的空间数据结构， 在用户的需求改变时，该数据结构能迅速作出相应的变化 满足用户对空间数据及时访问的需求， 并能高效的提供用户所需的空间数据查询结果 在数据元素间维持复杂的联系，以反映空间数据库的复杂性 支持多种多样的决策需要，具有较强的适应性,三、空间数据库的实现和维护,（一）空间数据库的实现 根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果， 在计算机上创建起实际的空间数据库结构， 装入空间数据，并测试和运行， 这个过程就是空间数据库的实现过程二）空间数据库的运行与维护 空间数据库投入正式运行， 标志着数据库设计和应用开发工作的结束和运行维护的开始,第二节 空间数据库概念模型设计,概念设计阶段 要产生反映GIS需求的数据库概念模型。
当前主流的概念模型 语义数据模型最为普遍采用 面向对象数据模型,一、语义数据模型,语义数据模型的模型结构 是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述空间实体的基本语义特征，再根据语义模型结构规则把这些抽象结合起来形成模型实体-联系模型（Entity-Relationship model，E-R模型） 最常用的语义数据模型之一 E-R模型为数据库分析人员提供了三种主要的语义概念， 即实体、联系和属性E-R模型,E-R图的表示方法： （1）实体 对客观存在的起独立作用的事物的一种抽象 用矩形符号表示，实体的命名标注于矩形符号之内 （2）联系－实体间有意义的相互作用或对应关系－一对一联系(1:1)、一对多联系(1:N)和多对多联系(N:N)－用菱形表示，联系的名称标注在菱形符号内－实体和联系之间用线段连接，并上注明连接的类型 （3）属性－属性是对实体和联系特征的描述－每个属性都关联着一个域（值得集合）－属性用一个椭圆形表示，椭圆中放置属性的名称－属性和联系之间也用线段连接,Ｅ－Ｒ模型的图形表示,,Polygon,ＡＲＣ,Ａｒｅａ,Ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ,Ｌｅｎｇｔｈ,Ｃｏｍｐｏｓｅ,Ｏｒｄｅｒ,采用Ｅ－Ｒ模型进行数据库概念设计步骤,采用Ｅ－Ｒ模型进行数据库概念设计可以分为以下三个步骤： 设计局部的Ｅ－Ｒ模型 设计全局的Ｅ－Ｒ模型 当合并两个Ｅ－Ｒ图时，可能会遇到三类冲突： 属性冲突：包括类型、取值范围、取值单位的冲突 结构冲突：如作为实体又作为联系或属性，同一实体其属性成分不同等 命名冲突：包括实体类型名、联系类型名之间异名同义或异义同名等 全局Ｅ－Ｒ模型的优化,二、面向对象数据模型,（一）面向对象数据模型的基本概念 （1）对象 一个对象就是现实世界中一个事物的模型表达 具有一个唯一的名称标识 （2）消息－对象之间相互请求或相互协作的唯一途径－消息是对象之间唯一的通信形式，也就是外界能够饮用对象及获取对象状态的唯一方式－分公有和私有两类 （３）类－一组对象的抽象描述－实例是某类的一个具体对象，类是多个实例的抽象综合,（二）继承及类之间的层次关系,继承 是现实世界中对象之间的一种独特关系， 它使得某类对象可以自然地拥有另外一类对象的某些特征和功能。
继承具有双重作用： 一是减少代码的冗余 二是通过协调性简化对象类相互之间的接口 继承的分类从对象类的数量上看可以分为： 单继承 多继承 类的层次结构是引入类的继承关系而产生的 －被继承的类称为超类或基类 －继承其他类的类称为子类或派生类 －类的层次结构是用于描述和组织事务的一种简单、有效的工具,（三）功能的重载和多态性,（三）功能的重载和多态性 面向对象系统中消息传递的实现是以重载和多态为支撑概念的１）重载 它规定一个方法具有许多不同的接口，但方法的名称是相同的多边形对象,Ｄｒａｗ （Ｄａｔａｂａｓｅ）,Ｄｒａｗ （ＭａｐＦｉｌｅ）,数据库,地图文件,,（２）多态 是指同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式 例如：一个Add方法，它既可以执行整数的加法求和操作，也可以执行字符串的连接操作！,空间对象,Ｄｒａｗ,多边形对象,Ｄｒａｗ,弧段对象,Ｄｒａｗ,（四）概括和聚集,（1）概括 把一组具有相同特征和操作的类归纳在一个更一般的超类中 如：（苹果、香蕉、梨）水果食物 概括形成了子类和超类之间的一种称为is-a的语义联系,空间对象,多边形对象,弧段对象,Is-a,,（2）聚集 聚集反映了嵌套对象的概念， 嵌套对象是由一些其他对象组成的， 它是用来描述更高层次对象的一种形式。
如下所示： 图层对象就是嵌套对象， 多边形对象类等与图层对象之间形成一种is-part-of,图层对象类,多边形对象类,弧段对象类,is-part-of,1,*,*,（五）空间数据库对象模型,OpenGIS协会推荐一种空间对象数据模型， 其中的简单几何特征集如图4-11， 该模型以面向对象的方式将常见的一些空间几何对象按概括和聚集关系组织成对象层次六）ORM图,ORM即对象角色建模（Object Role Modeling）， 是运用面向对象的原理进行数据库概念建模的软件工程方法该方法使用用户和设计人员都能够理解的直观符号和自然语言事实来说明应用领域的对象ORM图 用图形符号的形式表现对象角色建模的结果 对象类型和谓词来表达一个事实对象类型 表示实际对象或概念（如多边形）的类型， 必须以英文名词的形式出现， 以大写字母开头必须具有唯一的定义， 且在模型范围内只能被定义一次 对象类型有两类：实体对象类和值对象类型 实体对象类型是 由实际事物组成的对象类型，如Polygon在ORM图中，用实线椭圆表示 值对象类型是 由数字或字符串组成的数字类型，一般用于说明实体对象类型，如Polygon可以使用Polygon_ID来标识，在ORM图中，用虚线椭圆表示。
谓词是描述由对象类型扮演的角色的事实的一部分，每一个谓词有若干个角色，在ORM图中，谓词表示为一个或多个角色框的序列 约束是一种规则，用来规定数据的关系，唯一性约束用双向箭头表示，而强制性约束用圆点表示,。