GIS空间数据库综述

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1、GIS 空间数据库文献综述姓名：张磊摘要： 通过分析地理信息系统建设过程中空间数据库的建设内容1 综述空间数据块的划分、图层的分层设 计方法、专题图层划分和数据集设计、分析空间数据库的结构,讨论了空间数据库系统建设的方法和需解决 的关键技术问题。关键字： GIS;空间数据库 引言：地理信息系统是集计算机科学、空间科学、信息科学、测绘遥感科学、环境科学等学科于一体的新 兴边缘科学1GIS从20世纪60年代出现以来，至今只有短短的40多年时间，但已成为已成为多学科集成并 应用于各领域的基础平台,成为地学空间信息分析的基本手段和工具。 目前,地理信息系统不仅发展成为一 门较为成熟的技术科学,而且已成

2、为一门新兴产业,在测绘、地质、水利、环境检测、土地管理、城市规划、 国防建设等领域发挥越来越重要的作用。目前， 国际上在此领域进行深入研究并形成软件产品的有目前，国际上 在该领域进行过深入研究并形成软件产品的有：ESRIArcSDEi ,Maplnfo Spatial Ware以及Oracle Spatial 3,DB2 Spatial Extender和Informix Spatial Data Blade 等。1 . 空间数据库的设计1.1 空间数据库的设计思路空间数据库由图形数据库和属性数据库两部分组成 , 运用地理信息系统技术分 别建好图形数据库和属性数据库后, 通过统一的编码来实现滑

3、坡的图形数据库与属 性数据库的无缝连接, 最终形成完整的空间数据库5。1.2 间数据库的主要内容每个GIS数据集都提供了对世界某一方面的空间表达包括：基于矢量的要素（点、线和多边形） 的有序集合; 诸如数字高程模型和影像的栅格数据集;网络;地形和其他地表;测量数据集;其他类型数据,诸如地址、地名和制图信息;描述性的属性。除了地理表现形式以外,地理数据集还包括传统的描述地理对象的属性表1 许多表和空 间对象之间可以通过它们所共有的字段（也常称为“关键字”） 相互关联1 就像它们在传统 数据库应用中一样,这些以表的形式存在的信息集和信息关系在GIS数据模型中扮演着非常 关键的角色。1.3 空间数据

4、表现形式1.3.1 空间关系:拓扑和网络空间关系，比如拓扑和网络，也是一个GIS数据库的重要部分1使用拓扑是为了管理要素间的共同边界、定义和维护数据的一致性法则,以及支持拓扑查询和漫游1胡金星空间数据库实现及其集成技术研究J计算机应用研究，2003,3:12-15.2 Andrew S Tanenbaum,Albert S.Woodhull :Operating SystemDesign and ImplementationZ.3 Forta B, Fonte P, Brewer G. Windows2000开发人员指南M.杜大鹏，译北京：中国水利水电出版 社,2001.144 ,428.4

5、David J Kruglinski.Visual C+6. 0技术内幕M.4版希望图书创作室北京：北京希望电子出版 社.209-426.5兰恒星，吴法权,周成虎，等.基于GIS的滑坡空间数据库研究 以云南小江流域为例J.中国地质灾害与防治学报，2002,（如确定要素的邻接性和连接性） 。1.3.2 专题图层与数据集数据库概念化设计是从抽象的角度来设计数据库，它独立于任何DBMS软件和 硬件,它独立于数据库逻辑结构,是现实世界与机器世界的中介,一方面能充分反映 现实世界实体与实体之间的联系，同时又易于向关系、层次、网状等各种数据模型 转换,是现实世界的一个真实模型，是应用性GIS数据库设计的关

6、键所在1 一般采 取实体关系模型（ E - R 模型） 进行概念设计6。1.4 空间数据的逻辑设计逻辑结构设计的任务是运用数据库管理系统提供的工具和环境,将对现实世界抽象 的道德概念模型转化为形影的数据库管理系统的数据模型1 目的是规划出整个数据库 的框架,回答数据库能做什么的问题.1.4.1 划分方式 地理信息系统具有处理数据量大、结构复杂的特点,设计时将整个系统划分为一些子 系统,在逻辑设计过程中,分两步进行:首先进行图块结构的设计,即按照数据的空间分布将 数据划分为规则或不规则的块,见图21 图块划分的原则如下: 按存取频率较高的空间 分布单元划分图块,以提高数据库的存取效率; 图块的划

7、分应使基本存储单元具有较为 合理的数据量；分区时应考虑未来地图数据更新的图形属性信息员及空间分布,以利于 更新和维护1一般小比例尺地图按经纬线分幅，大比例尺地图按举行分幅，由于分幅后 会出现某一空间实体会出现跨越不同图幅,空间实体被分为若干个空间基本单元的情况, 因此需要在图幅、空间实体和空间基本单元之间建立连接关系。nEO30a田2 IB烧的列井明L空间獻据阵軸理靖杓H19X2WVil a IE ：i凰尼恒息站料1.4.2 图层信息的组织按照数据的性质分类，将不同性质或不同级的图元要素进行分层存放，可以按专 题、时间、高度等不同形式分层，形成不同的图层，见图1 ，图3 ，每一层存放不同的专题

8、 或某一类信息1 分类可以从性质、用途、形状、尺度、色彩几个因素考虑1 按时间分 层可以对数据进行动态管理，特别是历史数据. 按垂直高度划分是以地面不同高程来 分层，从二维转化为三维，便于分析空间数据的垂向变化，从立体角度去认识事物构成1 应用中，用户可以根据自己需要，将不同内容的图层进行分离、组合与叠加形成自己需6刘南，刘仁义著.Web GIS原理及其应用M.北京:科学出版社,2002.要的专题图. 对于公用的要素,可以单独作为一个图层数字化,然后将其添加到要编辑的任何文件中去，假设L i （ i = 1 ,2n）为人一数据层，则一幅完整的地图为L = L 1 Ul 2 UL n，因此图块结

9、构和图层结构是空间数据库从纵、横两个方向的延伸，同时空间 数据库是两者的集成。1.4.2 关键技术 一般的数据库管理和查询检索技术比较成熟，需要解决的关键技术是如何在网上发布海量空间信息.资源环境空间数据库地图发布系统以mapinfo xt rem为基本平 台，分为服务器端、地图引擎、管理器和客户端（提供给用户的页面） . 服务器端、地 图引擎和管理器由mapinfor提供，客户端开发主要以页面编辑为主数据发布系统分 为空间数据和非空间数据两个方面.非空间数据的发布主要利用Microsoft IlSWeb 服务器系统,直接获得或通过ORACL E数据库管理系统获得非空间数据.空间数据 的发布分

10、为两个步骤：SuperMap IS驱动MAPINFO MAPX空间数据引擎（Spatial Data Engine）直接或间接（利用ORACL E数据库管理系统）获得各类矢量空间数据 集（或地图）.MAPINFO XTREM把获得的矢量空间数据转换为栅格图，并对栅格 数据进行空间索引与数据压缩1同时,MAPINFO XTREM MicroSoftIIS可以协同工 作，以解决空间数据与相关非空间数据（如属性数据） 的联合使用问题。2. 空间数据库构建的意义长期以来，地理研究主要用野外考察和调查的方法，研究资源环境的过去、现在和 未来，其研究成果为定性的报告和图件，而不能数量化，普通图件或者属性数

11、据库，无 法在制定重大的宏观决策时提供准确的基础地理数据，这无论对提高研究工作效率还是 成果应用效益都不利。因而，迫切需要有新的技术方法和手段改变这种状况，要做到这 一点，建立基础性的空间数据库是先决条件。与此同时，大量资源、环境、自然灾害、 可持续发展问题的分析和监测应用，以及遥感、GPS等空间信息技术的飞速发展也在为 GIS 提供更多更高质量的数据源并且提出更高的要求，因此，处理分析多分辨率、多时 空维、类型复杂的海量地理数据的技术愈发成为地理信息发展的瓶颈。“数字地球”的 提出高度概括了空间数据集成和一体化的概念。资源环境监测的数据通常分散在多个子 系统中，每个子系统有不同的平台和数据更

12、新周期，而且子系统中的某个数据元素可能 在相关的另一个子系统中有着不同的含义，在此情况下数据质量无法得到保障。 资源环境数据仓库是面向资源环境的、综合的、不同时间的、稳定的数据集合，它有助于 对资源环境决策的数据收集、分类和整理，并用于支持资源环境管理的决策制定过程。国 家决策部门可以方便地访问以各种形式存储于资源环境数据仓库中的信息。数据仓库化是 资源环境数据处理的过程，它将资源环境各个部门内分散的原始监测数据和社会经济部门 外来的数据汇集和整理在一起，为国家提供完整、及时、准确和明了的决策信息，使国家 有关决策部门能够真正地利用决策支持分析工具直接从资源环境信息池中随机地提取、分 析数据，

13、有效地服务于国家资源环境的全方位决策。作为一个决策环境，资源环境数据仓 库收集存储了各种不同数据源中的数据；通过对数据的集成给国家有关决策者提供了分布 在全国各个系统，跨平台的数据，它帮助用户从传统的公共数据访问模式过渡到信息的访 问，实现了将数据转化为信息、转化为知识的过程。作为研究人口、资源、环境、经济及 其相互作用的资源环境决策支持系统，着重于研究各对象之间的信息流、用来预测、规划 和管理物质流和能量流，以便进行合理的人为干预。为了开拓资源环境研究的深度和广度， 必须将科学理论、经验知识和专家判断有机地结合起来，实现决策与知识的综合集成，而 建立资源环境数据仓库正成为资源环境科学研究的基

14、石。社会的需求不仅仅对于一般信息 资源，也包括空间信息资源。GIS的全数字图形化方式正在影响着人们对信息的需求。同 时，地理信息系统在商业化的进程中逐渐采用的组件式GIS、与关系型数据库的集成，使 其逐步融入主流的信息产业，使不同平台的数据交换成为可能。一个全面的区域空间数据 库的建立和发展对于这一区域各部门的需求都是必要的。3. GIS 空间数据库的新发展73.1 基于体素的三维空间数据模型的研究地理信急系统经过这些年的发展，一维空间数据技术己相当成熟，而且由于实际 应用中大多数情况下用而维甚至一维坐标来进行描述就可以满足需求，因此目前流行 的GIS软件绝大多数是而维或者而维半的，但人们是生

15、活在三维空间的，如果把时间 也算上，则是生活在四维空间中，随着应用的不断深入，涉及到三维或四维的自然和 人为现象的处理越来越多，因而现在GIS在很多领域的应用仍受到很大的限制，为此， 国内外众多学者已对三维的GIS进行了大量的研究。目前的研究现状来看，三维数据 结构总体上分为基于体描述的和基面表示的数据模型及三维矢量、栅格、混合与而向 对象的数据结构。目前来说，二维的数据结构和三维的数据结构对于不同的应用目的， 具有不同的优点，基于不同的应用目的往往需要这两种方式交替运作，这样就需要有 一种三维数据结构能够与一维的数据结构相兼容，基于体素的不规则三棱柱数据模型 结合地学结构的特点，在建立地学G

16、IS上有其独特的优点，同时，还可以很容易在基 于矢量结构的二维数据结构上进行扩展得到二维数据结构，并实现与一维数据结构兼 容。3.2 时空四维数据模型地理信息系统中，时间、空间和属性是信急的三种基本成分，随着GIS应用领域 的不断扩大，对数据的处理提出了更高的要求，要能够保存并有效地管理历史变化数 据，以方便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来，这样的地理信急系统应支持信 急的时态性，对时空数据进行统一的模拟和管理由于当前的地理信息系统软件难以处 理时态现象，时空数据模型己成为空间数据库技术领域一个新的研究方向。时空四维 数据模型是一促有效组织和管理时态地理数据、属性、空间和时间语义更完整的地理 数据模