1、空間數據庫存儲研究空間數據庫存儲研究【空間數據庫原理空間數據庫原理】 第第4 4章章 空間數據組織與管理空間數據組織與管理l本章內容 4.1文件組織與數據庫 4.2空間數據管理方式 4.3空間數據引擎 4.4空間數據與屬性數據的連接 4.5空間數據組織 4.6柵格數據存儲和管理【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫l 1、數據文件域、記錄（物理、邏輯）、文件l2、數據庫系統l3、空間數據庫系統【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫空間數據的存儲

2、形式：二進制流或復雜結構，如: Well-Known Text (WKT) format POLYGON(0 0,10 0,10 10,0 10,0 0),(5 5,7 5,7 7,5 7, 5 5) Well-Known Binary (WKB) format Byte order : 01 WKB type : 01000000 X : 000000000000F03F Y : 000000000000F03F 【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫 傳統數據庫： 數據庫事務和應用程序的需求是正交的（orthogo

3、nal）。 數據操作函數簡單：包括, MIN, MAX, AVG等。 衡量標準：數據從二級存儲到主存之間的傳輸代價（即I/O代價）。 應用程序： CPU密集型操作。 空間數據庫： 涉及的函數計算復雜。 數據太大，存儲需求更高。CPU代價代價I/O代價代價DBMS低高C程序高低SDBMS高高【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫磁盤的幾何結構和含義：構成：主軸、磁盤片、磁道磁盤塊（頁面）：磁盤與主存之間的最小傳輸單元。數據從磁盤向主存中傳輸過程：（1）磁頭到達特定磁道上。（尋道時間ts）（2）磁盤塊旋轉到磁頭下方。（延遲

4、時間tl）（3）磁頭讀或寫塊中數據。（傳輸時間tt，固定的）總時間 ta = ts + tl + tt且滿足 ts tl tt【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫緩沖區管理器：DBMS中的一個軟件模塊，負責管理主存與二級存儲之間的數據傳輸。置換策略：確保事務不會因為一部分數據不在主存中而停頓。關系數據庫的緩沖區管理：主要基于關系查詢行為。頻繁訪問集（hot set）模型：最近最少使用（LRU）算法。查詢本地集（QLSM）模型：DBMIN算法。引用模式為：順序引用、隨機引用、分層引用。使用DBMIN比使用頻繁集訪問的算

5、法的吞吐量高出7到13個百分點。【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫l 域、記錄和文件： 文件是記錄的集合，一個文件可能跨越多個頁面。 一個頁面是槽（slot）的集合，每個槽包含一條記錄。 每條記錄是相同或不同類型的域的集合。 一條記錄的域可以是定長或變長的。 文件中的記錄可以是有序或無序的。 文件可以組織成鏈表或頁面目錄。例子：二進制大對象（BLOB）域類型。【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大

6、學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫共6條記錄，每條80字節CanadaMexicoCubaBrazilUSAArgentina共4條記錄，每條72字節Rio ParanaSt. LawrenceRio GrandeMississippi共2條記錄，每條73字節Mexico CityBuenos Aires共7條記錄，每條73字節Havana.Ottawa.表目錄所在的塊Country61River41City-2實例：將記錄從Country, C

7、ity, River表映射到磁盤頁RivercountryCity【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫文件結構：文件中記錄的組織形式。（1）無序文件（unordered file）：又叫堆（heap），其中記錄沒有特定的順序，是最簡單的組織形式。優點：在進行插入操作時可以很容易地在文件末尾插入一條新記錄。 代價：平均需要檢索一半的磁盤頁面，最壞情況需訪問所有存儲該文件數據的磁盤頁面。示例：上圖River表。【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據

8、庫文件結構：文件中記錄的組織形式。（2）散列文件（hashed file）： 使用散列函數把記錄分到一系列散列單元中。優點：能夠把數量大致相同的記錄放入每個散列單元中，對于點的查詢、插入和刪除操作都非常有效，可以在一個常數時間內完成查詢，與文件中記錄的個數無關。 缺點：不適合范圍查詢。例如查找名字以字母”B”開頭的城市。代價：常數時間內完成查詢（例如兩次磁盤訪問）【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院文件組織與數據庫文件組織與數據庫2條記錄HavanaOttawa2條記錄RosarioToronto3條記錄BrasilliaMonterreyMexi

9、co City2條記錄Buenos Aries.Washington DC4個散列單元，9條記錄關鍵碼=114示例：City表的散列文件組織方式文件組織與數據庫文件組織與數據庫（3）有序文件（ordered file）： 根據給定的主碼域對記錄進行組織。 優點：可以使用折半查找算法根據給定的主碼屬性值查找。可以進行范圍查詢：先用折半法查到第一個符合條件的記錄，然后掃描后續記錄。可以根據對空間數據集的文件組織方式而概括成空間聚類。 缺點：不能直接應用在空間領域。例如，無法對城市的位置排序。 代價：隨文件中記錄數的增加呈對數增長（log2(n)）。 示例：文件組織與數據庫文件組織與數據庫2條記錄T

10、orontoWashington DC共7條記錄，每條73字節Brasillia.Buenos AiresHavanaMexico CityMonterreyOttawaRosario.存儲City表的有序文件（已排序）文件組織與數據庫文件組織與數據庫聚集： 目的：降低響應常見的大查詢的尋道時間和等待時間。對空間數據庫來說，在二級存儲中，空間上相鄰的和查詢上有相關性的對象在物理上應當存儲在一起。 在SDBMS支持三種聚類： （1）內部聚類：加快對單個對象的訪問，一個對象的全部表示都存放在同一個磁盤頁面中，或者多個物理上連續的頁面中。（2）本地聚類：加快對多個對象的訪問，一組空間對象被分組到同一

11、頁面。可以依據數據空間中對象的位置來分組。（3）全局聚類：與本地聚類相反，一組空間鄰接的對象并不存儲在一個而是多個物理上鄰接的頁面中，這些頁面由一條單獨的讀命令訪問。文件組織與數據庫文件組織與數據庫空間聚類技術：需從高維空間映射到一維空間，該映射是距離不變的。幾種突出的映射方法：Z序列（Z-order），格雷碼（Gray Code），Hilbert曲線。更為復雜的：最小割邊圖劃分、幾何學方法（R樹等）Z曲線：nHilbert曲線：【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l 1、文件管理 shp文件等l 2、文件與關系數據

12、庫混合管理l 3、關系數據庫管理 ArcGIS、MapGIS、SuperMap等l 4、面向對象數據庫管理 發展趨勢l 5、對象關系數據庫管理 Oracle Spatial （包含對象數據類型SDO-GEOMETRY、索引、操作等）【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l 1、文件管理GIS應用空間數據文件屬性數據文件文件管理系統標識碼關聯【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l 2、文件與關系數據庫混合管理GIS應用空間數據文件屬性數據據文件

13、文件管理系統標識碼關聯關系型數據庫管理系統【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l 3、關系數據庫管理【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l4、面向對象數據庫管理【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l5、對象關系數據庫管理【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據管理方式空間數據管理方式l 實現實例ORACLE SPA

14、TIAL空間數據存儲解決方案【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據引擎（空間數據引擎（SDESDE）l 1、什么是SDEl2、SDE需要解決的問題空間對象提取、分析空間屬性統一管理并發訪問長事務管理【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據引擎（空間數據引擎（SDESDE）l SDE工作原理SDE服務器處理程序DBMS服務器端SDE客戶端客戶端【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據引擎（空間數據引擎（SDESDE）lSDE的作用（1）與空間數據

15、庫聯合，為任何支持的用戶提供空間數據服務。（2）提供開放的數據訪問，通過TCP/IP橫跨任何同構或異構網絡，支持分布式的GIS系統。（3）SDE對外提供了空間幾何對象模型，用戶可以在此模型基礎之上建立空間幾何對象，并對這些幾何對象進行操作。（4）快速的數據提取和分析。SDE提供快速的空間數據提取和分析功能，可進行基于拓撲的查詢、緩沖區分析、疊加分析、合并和切分等。【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據引擎（空間數據引擎（SDESDE）（5）SDE提供了連接DBMS數據庫的接口，其他的一切涉及到與DBMS數據庫進行交互的操作都是在此基礎之上完成

16、。（6）與空間數據庫聯合可以管理海量空間信息，SDE在用戶與物理數據的遠程存儲之間構建了一個抽象層，允許用戶在邏輯層面上與數據庫交互，而實際的物理存儲則交由數據庫來管理。數據的海量是由空間數據庫管理系統來保障的。【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據引擎（空間數據引擎（SDESDE）（7）無縫的數據管理，實現空間數據與屬性數據統一存儲。傳統的地理信息的存儲方式是將空間數據與屬性數據分別存儲，空間數據因其復雜的數據結構，多以文件的形式保存，而屬性數據多利用關系數據庫存儲。而SDE涉及空間屬性數據在DBMS中如何存儲及管理，通過SDE，則可以把這

17、兩種數據同時存儲到數據庫中，實現空間屬性數據一體化管理，保證了更高的存儲效率和數據完整性。（8）并發訪問。SDE與空間數據庫相結合，提供空間數據的并發響應機制。用戶對數據的訪問是動態的，透明的。【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據引擎（空間數據引擎（SDESDE）l空間數據引擎實例空間數據引擎實例lMapInfo公司的公司的Spatial WarelArcGIS空間數據引擎空間數據引擎l國內國內SuperMap公司的公司的XSDE【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據與屬性數據的連接空間數

18、據與屬性數據的連接l 4種連接方式【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據組織空間數據組織l 1、縱向分層l 2、橫向分塊經緯分幅 矩形分幅l 3、分層分塊索引l 4、三維空間數據組織三維空間索引金字塔式數據組織【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據組織空間數據組織l1、縱向分層【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據組織空間數據組織l 2、橫向分塊經緯分幅矩形分幅【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據組織空間數據組織l 3、分層分塊索引圖層2及描述信息圖層n及描述信息圖層1及描述信息圖幅及描述信息圖塊1及描述信息圖塊n及描述信息圖塊2及描述信息.要素1及描述信息要素n及描述信息要素2及描述信息.【空間數據庫原理空間數據庫原理】 中國地質大學信息工程學院中國地質大學信息工程學院空間數據組織空間數據組織l4、三維空間數據組織三維空間索引金