第三講：空間數據庫地理信息系統GIS地理信息系統概論地理信息系統概論第三講：空間數據庫1、數據庫2、空間數據庫3、空間數據庫設計4、空間數據庫模型5、空間數據查詢與訪問SDE6、空間數據庫發展趨勢地理信息系統概論1、數據庫數據庫數據庫就是為了一定的目的，在計算機系統中以特定的結構組織、存儲、管理和應用的相關聯的數據集合。數據表n數據表1數據表2數據表3......多個數據項多條記錄多個數據項多條記錄多個數據項多條記錄多個數據項多條記錄數據項關聯RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統地理信息系統概論地理信息系統概論1、數據庫RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統地理信息系統概論2、空間數據庫空間數據庫特征（時間、空間、屬性、關系）1）空間特征2）非結構化特征3）空間關系特征

4）分類編碼特征5）海量數據特征

一種地物類型對應一個屬性數據表文件。多種地物類型共用一個屬性數據表文件。組織

拓撲數據給空間數據的一致性和完整性維護增加了復雜性。

拓撲關系的構建

結構化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數據項是原子數據.而空間數據數據項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。

一般需要建立空間索引。地理信息系統概論2、空間數據庫空間數據庫是存取、管理空間信息的數據庫。是在傳統數據庫基礎上，擴展了空間圖形信息的存取、管理。空間數據庫概念RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統地理信息系統概論地理信息系統概論RS&GIS技術集成————遙感與地理信息系統地理信息系統概論地理信息系統概論2、空間數據庫空間數據庫組成硬件操作系統DBMS，編譯系統應用開發工具軟件應用系統PB,VB,VCDELPHIOracle,Db2,Sybase,SQLServer,Informix2、空間數據庫空間數據庫常見概念1、實體2、屬性3、碼4、域5、實體集6、聯系3、空間數據庫設計空間數據庫設計現實世界地理實體數據層設計結構設計需求分析數據字典設計

空間數據庫的設計是指在現在數據庫管理系統的基礎上建立空間數據庫的整個過程。結構設計

指空間數據結構設計，結果是得到一個合理的空間數據模型，是空間數據庫設計的關鍵。

空間數據庫設計的實質是將地理空間實體以一定的組織形式在數據庫系統中加以表達的過程，也就是地理信息系統中空間實體的模型化問題。現實世界地理實體邏輯模型物理模型概念模型需求分析結構設計數據層設計

GIS的數據可以按照空間數據的邏輯關系或專業屬性分為各種邏輯數據層或專業數據層，原理上類似于圖片的疊置。

例如，地形圖數據可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民地等諸層分別存貯。將各層疊加起來就合成了地形圖的數據。在進行空間分析、數據處理、圖形顯示時，往往只需要若干相應圖層的數據。

數據層的設計一般是按照數據的專業內容和類型進行的。數據的專業內容的類型通常是數據分層的主要依據，同時也要考慮數據之間的關系。如需考慮兩類物體共享邊界(道路與行政邊界重合、河流與地塊邊界的重合)等，這些數據間的關系在數據分層設計時應體現出來。

不同類型的數據由于其應用功能相同，在分析和應用時往往會同時用到，因此在設計時應反映出這樣的需求，即可將這些數據作為一層。（如道路、加油站、停車場—交通層）

最后得出各層數據的表現形式，各層數據的屬性內容和屬性表之間的關系等。數據字典設計

數據字典用于描述數據庫的整體結構、數據內容和定義等。一個好的數據字典可以說是一個數據的標準規范，它可使數據庫的開發者依此來實施數據庫的建立、維護和更新。數據字典的內容包括：數據庫的總體組織結構、數據庫總體設計的框架、各數據層詳細內容的定義及結構、數據命名的定義、元數據（有關數據的數據，是對一個數據集的內容、質量條件及操作過程等的描述）等內容。1、一對一的聯系(1：1)2、一對多的聯系(1：N)3、多對多的聯系(M：N)A

BAB3、空間數據庫設計空間數據庫模型實體間關系

4、空間數據庫模型空間數據庫模型

空間實體之間的聯系可以從時間、空間和屬性三個方面加以考察。對空間客體及其聯系的數學描述，可以用數據模型這個概念進行概括。數據庫系統中通常采用的數據模型有：層次模型、網狀模型、關系模型、語義模型、面向對象模型4、空間數據庫模型空間數據庫模型——層次模型

層次數據模型描述了各類客體及客體類之間的聯系。每一個客體類最多只能有一個雙親客體類，而一個雙親客體類則可有多個子女客體類。雙親和子女客體類之間形成了所謂的層次關系。在層次數據模型中，記錄被表示為樹型結構的一個結點。擁有多于一個雙親的客體類必然在數據庫中要重復出現多次。4、空間數據庫模型空間數據庫模型——層次模型

4、空間數據庫模型空間數據庫模型——層次模型

4、空間數據庫模型空間數據庫模型——網狀模型

網狀數據模型以系結構為基礎，系由屬于兩個不同客體類（即首、屬兩個客體類）的客體所組成。每個系中只包含一個屬于首客體類的客體，以及若干個屬于屬客體類的客體。4、空間數據庫模型空間數據庫模型——關系模型

用二維表來表示實體及其相互聯系。姓名性別出生日期職務張三男1957/12/01處長李四女1965/11/25科長王五男1978/04/08科員表頭表格

數據庫的總體設計稱作數據庫的模式，如上面的“表頭”。隨著時間的推移，數據庫中的數據會發生變化。特定時刻存儲在數據庫中信息的集合稱作數據庫的一個實例，如表中的“表格”。4、空間數據庫模型空間數據庫模型——關系模型

1、關系：一個關系對應于我們平常所說的一張表；2、元組：表中的一行稱為一個元組；3、屬性：表中的一列稱為屬性，給每一列取一個名稱即為屬性名；4、主碼：表中的某個屬性組，他們的值唯一地標識一個元組；5、域：屬性的取值范圍；6、分量：元組中的一個屬性值；7、關系模式：對關系的描述，用關系名（屬性名1，屬性名2，….，屬性名n）來表示。4、空間數據庫模型空間數據庫模型——關系模型

概念設計和邏輯設計數據依賴函數依賴主關鍵字決定關系模式中的非關鍵字完全函數依賴傳遞函數依賴多值依賴NF第一范式第二范式第三范式BC范式三種傳統數據模型的比較表示空間信息的層次模型1、它的特點是將數據組織成一對多關系的結構。2、層次結構采用關鍵字來訪問其中每一層次的每一部分。3、層次數據庫結構特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構等分級數據的組織。層次模型表示空間數據的缺陷優點：存取方便且速度快；結構清晰，容易理解；數據修改和數據庫擴展容易實現；檢索關鍵屬性十分方便。缺陷：結構呆板，缺乏靈活性；同一屬性數據要存儲多次，數據冗余大（如公共邊）；不適合于拓撲空間數據的組織。表示空間信息的網絡模型MⅠⅡabcdefg123456網絡模型用連接指令或指針來確定數據間的顯式連接關系，是具有多對多類型的數據組織方式。網絡模型表示空間信息的缺陷優點：能明確而方便地表示數據間的復雜關系數據冗余小缺陷：網狀結構的復雜，增加了用戶查詢和定位的困難。需要存儲數據間聯系的指針，使得數據量增大數據的修改不方便（指針必須修改）表示空間信息的關系模型1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6點關系數據庫模型是以記錄組或數據表的形式組織數據，以便于利用各種地理實體與屬性之間的關系進行存儲和變換，不分層也無指針，是建立空間數據和屬性數據之間關系的一種非常有效的數據組織方法。關系模型表示空間信息的缺陷優點：結構特別靈活，滿足所有布爾邏輯運算和數學運算規則形成的查詢要求能搜索、組合和比較不同類型的數據增加和刪除數據非常方便缺陷：數據庫大時，查找滿足特定關系的數據費時對空間關系無法滿足4、空間數據庫模型空間數據庫模型——語義模型

語義模型的模型結構由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述客體的基本語義特性，再根據語義模型結構規則把這些抽象有機地組織起來。由于語義模型不具有避免異常和消除冗余的準則，所以需要與關系模型在設計的不同階段相互配合，以求達到最佳的設計效果。最常用的語義模型之一是實體聯系模型（entity-relationshipmodel,E-R模型）。

語義模型的模型結構是由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述實體的基本語義特性，根據語義模型結構規則,把這些抽象有機的組織起來。語義模型是概念模型的一種，是對信息世界建模，表示方法有多種，其中實體聯系方法(Entity-RelationshipApproach)得到廣泛應用，該方法用E-R圖來描述現實世界，用于建立概念模型。一、語義數據模型（E-R模型）空間數據庫模型——語義模型

①實體型實體是對客觀存在的起獨立作用的客體的一種抽象。②屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體聯系起來③聯系是客體間有意義的相互作用或對應關系。一般分為三種聯系：一對一(1:1)，一對多(1:N)，多對多(M:N)。E-R圖表達的三種語義空間數據庫模型——語義模型

課程（課程號，課程名稱，學時，性質）學生（學號，姓名，性別，專業）成績（學號，課程號，分數）選修課程學生mn課程號名稱學時性質學號姓名性別專業分數空間數據庫模型—面向對象模型

面向對象（object-oriented，oo）的概念起源于程序設計語言——面向對象的編程語言(簡稱OOPL)，強調對象概念的統—，引入對象、對象類、方法、實例等概念和術語，采用動態聯編和單繼承性機制。它以OOPL為核心，集各種軟件開發工具為一體，建立OO計算環境，配有很強的圖形功能和多窗口用戶界面。

基本出發點就是以“對象”作為最基本的元素，盡可能按照人類認識世界的方法和思維方式來分析和解決問題。4、空間數據庫模型面向對象的基本概念1、對象2、類3、實例4、消息1、對象1、對象：

含有數據和操作方法的獨立模塊，可以認為是數據和行為的統一體。如一個城市、一棵樹均可作為地理對象。★具有一個唯一的標識，以表明其存在的獨立性；★具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態——靜態屬性—數據；★具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態。—作用、功能—函數、方法。對象的劃分：根據對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質相聯系，不同的目的就會有不同劃分。劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統成份就可為一種對象。2005-07-19重慶交通學院測繪與國土信息系Liugd2、類2、類：

共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類。類是對象集合的抽象。

如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。2005-07-19重慶交通學院測繪與國土信息系Liugd3、實例3、實例

被抽象的對象，類的一個具體對象，稱為，如長江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層關系。類---申請實例---成為具體對象。類實例1實例22005-07-19重慶交通學院測繪與國土信息系Liugd4、消息4、消息：

對象之間的請求和協作。（并不獨立存在）對象之間的關系，如鼠標點，就是消息，點某按紐，就是對按紐提出請求。對象1對象2請求和協作消息現實世界抽象實例現實世界對象1對象2對象3抽象屬性數據行為方法類實例方法、消息面向對象的幾何數據模型

從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成。空間地物復雜地物簡單地物面域弧段節點面狀地物線狀地物點狀地物

一個面狀地物是由邊界弧段和中間面域組成，弧段又涉及到節點和中間點坐標。或者說，節點的坐標傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯合組成復雜地物。復雜地物實例拓撲關系與面向對象模型

將每條弧段的兩個端點（通過它們與另外的弧段公用）抽象出來，建立單獨的節點對象類型，而在弧段的數據文件中，設立兩個節點子對象標識號，即用“傳播”的工具提取節點文件的信息。面標識弧段標識……弧段標識起節點終節點中間點串…………節點標識XYZ…………面域文件弧段文件節點文件拓撲關系與數據共享

這一模型既解決了數據共享問題，又建立了弧段與節點的拓撲關系。同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數據共享和幾何拓撲關系的建立也達到一致。面向對象的屬性數據模型

面向對象數據模型是在包含RDBMS的功能基礎上，增加面向對象數據模型的封裝、繼承和信息傳播等功能。

耕地園地林地居民地牧草地未用地交通用地水域GIS城鎮農村居民點工礦地控制點電力設施公園

街道建筑物操作：查詢插入刪除屬性：標識碼區號街道號房主等建筑日期：職員庫操作屬性職員編號工資姓名飯店設施庫房間床位操作屬性工廠醫院學校居民住宅飯店商店郵局銀行面向對象抽象——地理信息如何將地理要素轉換成計算機能識別的地理信息？是建立地理信息系統的第一步！！面向對象的地理數據模型的特點可充分利用現有數據模型的優點。具有可擴充性。由于對象是相對獨立的，因此可以很自然和容易地增加新的對象，并且對不同類型的對象具有統一的管理機制。c)可以模擬和操縱復雜對象。傳統的數據模型是面向簡單對象的，無法直接模擬和操縱復雜實體，而面向對象的數據模型具備對復雜對象進行模擬和操縱的能力。

在GIS中建立面向對象的數據模型時，對象的確定還沒有統一的標準，但是，對象的建立應符合人們對客觀世界的理解，并且要完整地表達各種地理對象，及它們之間的相互關系。基于對象—關系的SDBMS可能成為GIS空間數據庫發展的主流。

空間數據的查詢是GIS最基本的功能，它是GIS高層次空間分析的基礎，也是GIS面向用戶的直接窗口。在GIS中，用戶的很多問題可通過查詢解決，查詢還能派生新數據。一、空間數據查詢的類型空間數據查詢類型基于空間特性的查詢結合空間特性和非空間（屬性）特征的查詢基于屬性（非空間）特征的查詢5、空間數據查詢與訪問空間數據引擎SDE采用關系數據庫與文件混合管理模式的傳統GIS數據庫系統技術，在應用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理，總體上無法達到數據庫技術冗余度、獨立性等要求，用現代數據庫技術統一存放和管理空間數據與屬性數據是GIS發展的必然趨勢。1996年，ESRI公司與Oracle等數據庫開發商合作，開發出一種能將空間圖形數據也存放到大型關系數據庫中管理的產品，將其定名為“spatialdatabaseengine”，簡稱SDE，即為“空間數據庫引擎”。

屬性特征的查詢主要在屬性數據庫中完成，這種查詢通常基于標準的SQL查詢語言實現，之后按照屬性數據和空間數據的對應關系顯示圖形。1、基于屬性（非空間）特征的查詢標號植被面積101工業地169102林地122103農地230104林地100基于屬性（非空間）特征的查詢例：已有某地區的土地利用表及相應的圖，現要找到林地，通過對下列屬性數據表查找植被為林地的記錄，并顯示這些記錄相應的空間位置。

1021041031015、空間數據查詢與訪問(1)空間幾何數據查詢(2)空間位置查詢(3）空間關系查詢5、空間數據查詢與訪問2、基于空間特性的查詢①同類要素間②不同類要素間3、結合空間特性和非空間（屬性）特征的查詢

空間特征和屬性特征的聯合查詢不是簡單地由定位空間特性查詢結果，顯示相關的屬性，也不是從屬性特征的查詢結果，顯示相關的空間位置。空間特征和屬性特征聯合查詢的實質是指查詢條件中同時涉及空間特征和屬性特征。例：從中國地圖上查同北京的距離(查空間中距離)小于2000km、長江以南(查空間中位置)、人口數大于100萬的城市。本例中查人口數大于100萬的城市，屬于屬性查詢；查同北京的距離(查空間中距離)小于2000km的城市，屬于空間距離查詢；查長江以南的城市，屬于方位查詢。

5、空間數據查詢與訪問二、空間數據查詢的數學基礎

主要使用布爾代數方法，即按照兩個邏輯子集在給定的條件下進行邏輯運算。它的基本運算符號或算子包括3個，交、并、差。AND(交)OR（并）NOT（差）及其組合邏輯運算的結果為“真”或“假”。5、空間數據查詢與訪問三、空間查詢的方法如S