地理信息系统原理与方法-空间数据管理

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1、1,地理信息系统原理与方法,资源与环境学院,2,GIS数据模型,空间数据库（或称地图数据库）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、区域调查以及规划的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，它是形成绘图文件中或各类地理数据的数据源。,3,空间数据库,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，在地理学、地图学原理的指导下，对地理环境进

2、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，为越来越广泛的社会部门与领域服务。,4,前言,空间数据库是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。,5,前言,空间数据特征: 1）空间特征：一般需要建立空间索引。 2）非结构化特征：结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原子数据.而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。 3）空间关系特征： 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。 4）分类编码特征： 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。 5）海量

3、数据特征。,6,前言,空间数据库的特点 1）数据量特别大； 2）数据种类多，复杂； 3）数据应用面相当广。在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。,7,空间数据库管理系统,是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义； 提供必须的空间数据查询、检索和存取功能； 能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。,8,空间数据库应用系统,提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是应用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件。 一般需要进行二次开发。,9,目录,数据库的概念 数

4、据模型 地图数据模型,10,数据库的概念,数据库的英文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，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。,11,数据库的概念,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。数据库管理系统（DBMS）是在文件管理系统的基础上进一步发展的

5、系统。DBMS在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁的作用。,12,数据库的概念,注意理解与数据库有关的几个概念： 1. 数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合. 2. 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。 3. 数据库系统是指由硬件设备、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。,13,数据库的概念,一、数据管理的文件方式 这种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一文件管理系统来完成,14,数据库的概念,文件管理系统的特点： （1）数据文件是大量数据的集合形式。每

6、个文件包含有大量的记录，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存贮设备上，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，不易扩允，维护和修改。,15,数据库的概念,二、数据库系统管理数据方式 数据库管理系统（DBMS

7、）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。（见图示逻辑数据独立性指的是当数据的整体逻辑结构改变时不必改动应用程序；物理数据独立性指的是当改动数据的物理布局和组织时，无论是数据的整体逻辑结构或应用程序都可不予改动。,16,数据库的概念,数据库管理系统的特点： （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文件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

8、统的并发功能保证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，有利于数据的快速查询和维护,17,数据模型,数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑模型。两者之间的关系：混合的交叉关系，并不一一对应，世界多样性，确定数据模型，确保实用性，（便于模型化、存储、检查和分析），它并不基于空间数据结构。数据模型是对现实世界的一种抽象，分为概念上、逻辑上、物理上三种类型或说三个层面。而数据结构是对数据模型的一种实现,18,GIS数据模型,一

9、、层次模型 二、网络模型 三、关系模型 四、面向对象模型,传统的数据模型,19,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 层次数据库结构特别适用于文献目录，土壤分类，部门机构等分级数据的组织。 层次模型的优点是层次和关系清楚，检索路线明确。 层次模型的缺点就是不能表示多对多的联系。 在GIS中若采用这种层次模型将难以顾及公共点、线数据共享和实体元素间的拓扑关系，导致数据冗余度增加，而且给拓扑查询带来困难。,20,层次模型,21,网络模型,在网络模型中，各记录类型间可具有任意

10、多连接的联系。一个子结点可有多个父结点；可有一个以上的结点无父结点；父结点与某个子结点记录之间可以有多种联系（一对多、多对一、多对多）。,22,网络模型,23,网络模型,网络数据库结构特别适用于数据间相互关系非常复杂的情况，除了上面说的图形数据外，不同企业部门之间的生产、消耗联系也可以很方便地用网状结构来表示。 网络数据库结构的缺点是：由于数据间联系要通过指针表示，指针数据项的存在使数据量大大增加，当数据间关系复杂时指针部分会占大量数据库存贮空间。另外，修改数据库中的数据，指针也必须随着变化。因此，网络数据库中指针的建立和维护可能成为相当大的额外负担。,24,关系模型,关系模型的基本思想是用二

11、维表形式表示实体及其联系。二维表中的每一列对应实体的一个属性，其中给出相应的属性值；每一行形成一个，由多种属性组成的多元组，或称元组，与一特定实体相对应。实体间联系和各二维表间联系采用关系描述或通过关系直接运算建立。元组（或记录）是由一个或多个属性（数据项）来标识，这一个或一组属性称为关键字，一个关系表的关键字称为主关键字，各关键字中的属性称为元属性。关系模型可由多张二维表形式组成，每张二维表的“表头”称为关系框架，故关系模型即是若干关系框架组成的集合。如图所示的多边形地图，可用关系表所示关系表示多边形与边界及结点之间的关系。,25,关系模型,26,关系模型,关系模型中应遵循以下条件： （1）

12、二维表中同一列的属性是相同的； （2）赋予表中各列不同名字（属性名）； （3）二维表中各列的次序是无关紧要的； （4）没有相同内容的元组，即无重复元组； （5）元组在二维表中的次序是无关紧要的。,27,关系模型,关系数据库结构的最大优点是它的结构特别灵活，可满足所有布尔逻辑运算和数字运算规则形成的询问要求；关系数据还能搜索组合和比较不同类型的数据；加入和删除数据都非常方便。 关系模型用于设计地理属性数据的模型较为适宜。因为目前，地理要素之间的相互关系是难以描述的，只能独立地建立多个关系表。例如，地形关系，包含的属性有高度、坡度、坡向，其基本存贮单元可以是栅格方式或地形表面的三角面。人口关系，含

13、的属性有人的数量、男女人口数、劳动力、 抚养人口数等，基本存贮单元通常是对应于某一级的行政区划单元。,28,面向对象模型,面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示。每个对象都是包含了数据集和操作集的实体，即是说，面向对象的模型具有封装性的特点。1 面向对象模型2 GIS中的面向对象模型,29,面向对象模型,1 面向对象模型的几个重要概念对象与封装性（encapsulation） 分类（classification）概括（generalization）联合（association）聚集（aggregation）,30,对象与封装性（encapsulation）,面向对象的系

14、统中，每个概念实体都可以模型化为对象。对于多边形地图上的一个结点、一条弧段、一条河流、一个区域或一个省都可看成对象。一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的。例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的变迁则表达了它的行为。由此可见，对象是数据和行为的统一体。 一个对象object可定义成一个三元组： object=（ID，S，M） 其中，ID为对象标识，M为方法集，S为对象的内部状态，它可以直接是一属性值，也可以是另外一组对象的集合，因而它明显地表现出对象的递归。,31,分类（classification）,类是关于同类对象的集合，具有相同属性和操作的

15、对象组合在一起。属于同一类的所有对象共享相同的属性项和操作方法，每个对象都是这个类的一个实例，即每个对象可能有不同的属性值。可以用一个三元组来建立一个类型： class=（CID，CS，CM） 其中，CID为类标识或类型名，CS为状态描述部分，CM为应用于该类的操作。显然有： S CS和M CM （当object class）,32,分类（classification）,因此，在实际的系统中，仅需对每个类型定义一组操作，供该类中的每个对象应用。由于每个对象的内部状态不完全相同，所以要分别存贮每个对象的属性值。 例如，一个城市的GIS中，包括了建筑物、街道、公园、电力设施等类型。而洪山路一号楼则

16、是建筑物类中的一个实例，即对象。建筑物类中可能有建筑物的用途、地址、房主、建筑日期等属性，并可能需要显示建筑物，更新属性数据等操作。每个建筑物都使用建筑物类中操作过程的程序代码，代入各自的属性值操作该对象。,33,概括（generalization）,在定义类型时，将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成一种更一般的超类。 例如，将GIS中的地物抽象为点状对象、线状对象、面状对象以及由这三种对象组成的复杂对象，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。,34,概括（generalization）,设有两种类型 class1=（CID1，CSA，CSB，CMA，CMB） class2=（CID2，CSA，CSC，CMA，CMB） class1和class2中都带有相同的属性子集，CSA和操作子集CMA，并且CSA CS1和CSA CS2以及CMA CM1和CMA CM2。因而将它们抽象出来，形成一种超类 Superclass=（SID，CSA，CMA） 这里的SID为超类的标识号。 在定义了超类以后，class1和class2可表为 class1=（CID1，CSB，CMB） class2=（CID2，CSC，CMC） 此时，class1和class2称为Superclass的子类。,