环境地理信息系统环境地理信息系统主讲人：梅琨主讲人：梅琨 第八章第八章 空间数据组织与空间数据组织与管理管理第一节第一节 空间数据管理的特点空间数据管理的特点第二节第二节 空间数据库管理技术的发展空间数据库管理技术的发展第三节第三节 空间数据的组织空间数据的组织第四节第四节 空间索引空间索引第一节第一节 空间数据管理的特点空间数据管理的特点为什么空间数据需要管理？为什么空间数据需要管理？空间数据特征空间数据特征这些特征都决定了需要行之有效的这些特征都决定了需要行之有效的方法去管理空间数据方法去管理空间数据1.空间特征空间特征/空间关系特空间关系特征征2.非结构化非结构化特征特征3.多源特征多源特征特征特征4.多尺度多尺度多时态特征多时态特征5.海量数据海量数据特征特征空间特征与空间关系特征空间特征与空间关系特征传统的数据库管理技术面临挑战：图形与分析的需求非结构化特征非结构化特征结构化的数据库管理技术面临挑战：内模型、外模型多源特征多源特征不同类型空间数据在数据库中适应性问题多尺度、多时态多尺度、多时态空间数据管理中难以解决的问题海量数据特征海量数据特征空间数据管理永恒的命题：满足大数据的应用需求什么是空间数据管理？什么是空间数据管理？空间数据管理的定义空间数据管理的定义基于传统的基于传统的数据库数据库技术，面向技术，面向空间数据空间数据的特点，的特点，研究数据的研究数据的存储方法、索引技术和查询技术存储方法、索引技术和查询技术。
空间数据的管理技术的发展与数据库管理系统的空间数据的管理技术的发展与数据库管理系统的技术发展密切相关技术发展密切相关数据库：数据库：是指长期储存在计算机内，有组织的、是指长期储存在计算机内，有组织的、可共享的数据集合可共享的数据集合空间数据库空间数据库:也称为地理信息系统数据库，是某也称为地理信息系统数据库，是某一区域内关于一种或多种地理要素特征的数据集一区域内关于一种或多种地理要素特征的数据集合，是计算机物理存储介质中的地理空间数据的合，是计算机物理存储介质中的地理空间数据的总和其特点：其特点：1、数据量大；、数据量大；2、包括空间数据和属性数据、包括空间数据和属性数据第二节第二节 空间数据管理技术的发展空间数据管理技术的发展数据库管理系统数据库管理系统(DBMS,DataBase Management System):数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型软件，是用于建立、使用和维护数据库它对数据库软件，是用于建立、使用和维护数据库它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。
整性数据库管理系统提供数据的定义、操作、描述的数据库管理系统提供数据的定义、操作、描述的语言，还有数据库的运行管理、建立以及维护，一般语言，还有数据库的运行管理、建立以及维护，一般指数据库管理软件指数据库管理软件 如如 SQL Server、Orcal、My Sql.文件系统文件系统网状数据库管理系统网状数据库管理系统关系数据库管理系统关系数据库管理系统面象对象数据库管理系统面象对象数据库管理系统层次数据库管理系统层次数据库管理系统对象关系数据库管理系统对象关系数据库管理系统数据库管理系统的发展数据库管理系统的发展采用树结构来表示实体间联系的模型采用树结构来表示实体间联系的模型,其存其存储的数据具有一个以上的记录类型，采用储的数据具有一个以上的记录类型，采用1 1：N N连接关系描述的数据库存储方式连接关系描述的数据库存储方式1、层次数据库系统、层次数据库系统User_IDArea32345.453443425.453257654.8760User_IDSoil_texture3Clay4Loam5SandyUser_IDLand Class324153User_IDLanduse_type3Rice4Rice5Maize层次数据结构层次数据结构采用采用M M：N N连接关系描述的数据库存储方式。
连接关系描述的数据库存储方式由于其空间关系复杂，因此，在由于其空间关系复杂，因此，在GISGIS中并没中并没有广泛应用有广泛应用2、网状模型数据库系统、网状模型数据库系统关系数据库模型（关系数据库模型（Relational Database Management System,RDBMS）是指数据是指数据库由二维表格来构成的，采用二维表格结构库由二维表格来构成的，采用二维表格结构来表示实体和实体之间的联系来表示实体和实体之间的联系,一个二维表格一个二维表格就是一个关系就是一个关系数据库是关系的集合数据库是关系的集合(也就是表格的集合也就是表格的集合)，其基本结构包括：表格、记录和字段其基本结构包括：表格、记录和字段3、关系模型数据库系统、关系模型数据库系统表格，平面文件，即单个表格数据库表格，平面文件，即单个表格数据库字段（属性）字段（属性）记录记录User_IDLanduse Landprice233ClayHigh234LoamHigh235SandyLowTerrain SlopeImprovedPlain0NoPlain3NoHill25YesLanduse Terrain OwnerClayPlainA1LoamPlainA2SandyHillA3User_IDTerrain Slope233Plain0234Plain3235Hill25关系数据结构关系数据结构面向对象的数据库模型：面向对象的数据库模型：把面向对象的方法和数据库技术结合起来可以把面向对象的方法和数据库技术结合起来可以使数据库系统的分析、设计最大程度地与人们对使数据库系统的分析、设计最大程度地与人们对客观世界的认识相一致。
客观世界的认识相一致面向对象数据库系统是为了满足新的数据库应面向对象数据库系统是为了满足新的数据库应用需要而产生的新一代数据库系统用需要而产生的新一代数据库系统4、面向对象的数据库模型、面向对象的数据库模型空间数据管理模式的变迁空间数据管理模式的变迁四种模式：四种模式：1、文件文件-关系型模式关系型模式 用文件系统管理空间数据，用关系数据库来管理用文件系统管理空间数据，用关系数据库来管理属性数据，用属性数据，用ID来建立图形与属性的关系来建立图形与属性的关系在商业上取得巨大的成功，软件产品代表：在商业上取得巨大的成功，软件产品代表：ESRI早期产品，如早期产品，如Coverage的组织与管理的组织与管理文件文件-关系型模式的缺点：关系型模式的缺点：两库分离的结构影响了执行效率并增加了构造两库分离的结构影响了执行效率并增加了构造/维护和维护和修改一个应用系统的复杂度，由于文件系统的管理功修改一个应用系统的复杂度，由于文件系统的管理功能弱，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制和能弱，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制和数据损坏后的修复能力差；数据损坏后的修复能力差；混合模型也限制了混合模型也限制了GIS应用的发展。
空间数据无法用类应用的发展空间数据无法用类似似SQL那样的操作，导致内部数据格式各种各样，系那样的操作，导致内部数据格式各种各样，系统之间的差别也很大，这些使得数据的共享和互操作统之间的差别也很大，这些使得数据的共享和互操作成为首要问题成为首要问题2、全关系型模式全关系型模式 图形数据与属性数据均采关系数据库来存储，用图形数据与属性数据均采关系数据库来存储，用关系数据库连接机制来建立两者间的关联关系数据库连接机制来建立两者间的关联DBMS（数据库管理系统）（数据库管理系统）属性数据属性数据（定长）（定长）空间数据空间数据（变长）（变长）数据库数据库将空间数据的将空间数据的变长部分，通变长部分，通常是图形的坐常是图形的坐标数据，当做标数据，当做一个一个Binary二二进制块，交由进制块，交由关系型数据库关系型数据库管理系统进行管理系统进行存储和管理存储和管理空间数据引擎空间数据引擎关系数据库管理系统（关系数据库管理系统（Oracle、SQL Server、DB2、Access）的软件厂商不作任何扩展，由）的软件厂商不作任何扩展，由GIS软件商在此基础上进行开发软件商在此基础上进行开发空间数据引空间数据引擎擎，使之能够管理结构化的属性数据，而且还能，使之能够管理结构化的属性数据，而且还能管理非结构化的图形数据。
管理非结构化的图形数据空间数据库引擎（空间数据库引擎（SDE,Spatial Database Engine）空间数据引擎主要是为了解决存储在关系数据库中空间数据引擎主要是为了解决存储在关系数据库中的的空间空间数据与数据库应用程序数据与数据库应用程序数据与数据库应用程序数据与数据库应用程序之间的接口问题之间的接口问题SDE客户端客户端RDBMSSDE服务器服务器处理处理数据库数据库 服务器服务器SQL引擎引擎 典型软件：典型软件：ESRI ArcSDE从数据管理的角度来看，从数据管理的角度来看，ArcSDE可看成是一个扩展的空可看成是一个扩展的空间数据模型，借助这一模型，我们可以用关系数据库管理间数据模型，借助这一模型，我们可以用关系数据库管理空间数据空间数据全关系型模式的缺点：全关系型模式的缺点：二进制块的读写效率比定长属性字段慢很多，特别是二进制块的读写效率比定长属性字段慢很多，特别是牵涉对象的嵌套，速度更慢牵涉对象的嵌套，速度更慢3、对象对象-关系数据管理关系数据管理；使用能够直接存储和管理非结构化的空间数据的使用能够直接存储和管理非结构化的空间数据的数据库管理系统数据库管理系统。
DBMS（数据库管理系统）（数据库管理系统）空间数据和属性数据库空间数据和属性数据库空间数据管理专用模块空间数据管理专用模块（API）由于非结构化的空间数据非常重要，许多数据库管理系统由于非结构化的空间数据非常重要，许多数据库管理系统的软件商在关系数据库系统中进行扩展，使之能直接存储的软件商在关系数据库系统中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据，如和管理非结构化的空间数据，如Oracle、SQL Server等等都推出了空间数据管理的专用模块都推出了空间数据管理的专用模块专用模块定义了操纵点、线、面等空间对象的专用模块定义了操纵点、线、面等空间对象的API函数这些函数将各种空间对象的数据结构进行了预先的定义，这些函数将各种空间对象的数据结构进行了预先的定义，用户使用时必须满足它的数据结构要求，用户不能根据用户使用时必须满足它的数据结构要求，用户不能根据GIS软件的要求再定义软件的要求再定义对象对象-关系型模式的缺点关系型模式的缺点这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据变长记录的管理，由数据库软件商进行扩数据变长记录的管理，由数据库软件商进行扩展，效率比前面所述的二进制块的管理高很多，展，效率比前面所述的二进制块的管理高很多，但是它没有解决对象的嵌套问题，这些但是它没有解决对象的嵌套问题，这些API函函数涉及的空间对象一般不带拓扑关系，空间数数涉及的空间对象一般不带拓扑关系，空间数据结构又不能由据结构又不能由GIS用户任意定义，因此拓扑用户任意定义，因此拓扑数据结构就不能用这种对象数据结构就不能用这种对象-关系模型存储。
关系模型存储4、面向对象型模式面向对象型模式 面向对象模型最适应空间数据的表达和管理，它面向对象模型最适应空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，还支持对象的嵌套、继承和聚不仅支持变长记录，还支持对象的嵌套、继承和聚集面向对象的空间数据库管理系统允许集面向对象的空间数据库管理系统允许GIS用户定用户定义对象和对象的数据结构以及对它的操作义对象和对象的数据结构以及对它的操作当前已经推出了若干个面向对象的数据库管理系当前已经推出了若干个面向对象的数据库管理系统，如统，如O2、Object store otorn等，但由于面向对象等，但由于面向对象。