第四章 地理信息系统空间数据库
地理信息系统概论重点讲义(4)
重点一空间数据库模型1．空间数据库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的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。
2．空间数据库模型空间数据库模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，为描述空间数据组织和设计空间数据库模式提供了基本的方法。
一般而言，GIS 空间数据模库型由概念数据库模型、逻辑数据库模型和物理数据库模型三个有机联系的层次所组成。
3．数据库概念模型：( conceptual model)概念模型为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一数据库管理系统支持的数据模型。
人们常常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换为机器世界。
也就是说，首先把现实世界中的客观对象抽象为某一种信息结构，这种信息结构并不依赖于具体的计算机系统，不是某一个数据库管理系统(DBMS)支持的数据模型，而是概念级的模型，称为概念模型。
4．逻辑模型逻辑模型，是指数据的逻辑结构。
在数据库中，逻辑模型有关系、网状、层次，可以清晰表示个个关系。
在管理信息系统中，逻辑模型：是着重用逻辑的过程或主要的业务来描述对象系统，描述系统要“做什么”，或者说具有哪些功能。
1)关系数据模型是把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表格，每个二维表格称为一个关系。
关系模型以记录组或数据表的形式组织数据，便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。
2)关系数据库：是建立在关系数据库模型基础上的数据库，借助于集合代数等概念和方法来处理数据库中的数据。
目前主流的关系数据库有oracle 、SQL、access 、db2 等。
3)对象—关系管理模式是指在关系型数据库中扩展，通过定义一系列操作空间对象(如点、线、面)的API 函数，来直接存储和管理非结构化的空间数据的空间数据库管理模式。
5．物理模型，在管理信息系统中，物理模型：描述的是对象系统“如何做”、“如何实现”系统的物理过程。
石大地理信息系统讲义04地理信息系统空间数据库
第四章地理信息系统空间数据库主要内容第一节空间数据库概述第二节空间数据库概念模型设计——传统的数据模型第三节空间数据库概念模型——语义数据模型和面向对象数据模型第四节空间数据库逻辑模型设计和物理设计第五节 GIS空间时态数据库第一节空间数据库概述一、空间数据库概述二、空间数据库的设计三、空间数据库的实现和维护一、空间数据库概述1、数据库通常，数据库是数据库系统的简称。
数据库是比文件更大的数据组织。
数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录集合。
数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。
2、数据组织的分级按逻辑单位分级——从应用的角度来观察数据的，是从数据与其所描述的对象之间的关系来划分数据层次的。
层次有：数据项、记录、文件和数据库。
按物理单位分级——指数据在存储介质上的存储单位，层次是：比特、字节、字、块（物理记录）、桶和卷。
3、数据项（field)•数据项是可以定义数据的最小单位，也叫基本项、字段等。
•数据项与现实世界实体的属性相对应•数据项有一定的取值范围，称为域。
•每个数据项都有一个名称，称为数据项目。
•数据项的值可以是数值的、字母的、字母数字的、汉字的等形式。
•数据项的物理特点在于它具有确定的物理长度，一般用字节数表示。
4、记录（record)•记录由若干相关联的数据项组成。
记录是应用程序输入—输出的逻辑单位。
•对大多数数据库系统而言，记录是处理和存储信息的基本单位。
•记录是关于一个实体的数据总和，构成该记录的数据项表示实体的若干属性。
5、文件（file)文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。
文件用文件名标识。
6、数据库系统o一个完整的数据库系统应该包括数据库、数据库管理系统（Database Management System,DBMS）和数据库应用系统三个组成部分o数据库是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合；o数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；o数据库应用系统则是为了满足特定的用户处理需求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。
地理信息系统空间数据库
三、关系模型
用二维表来表达实体和实体之间的联系。使得设 计、操纵较为容易。
四、三种传统数据模型的比较
§4.3 空间数据库概念模型设计 —语义模型和面向对象模型
• 传统数据模型的弱点： （1）以记录为基础的结构不能很好面向用户
传统模型－记录；现实世界－事务、实体。有时不对应。
（2）不能以自然对象（Object)：实体的抽象（基本元素），封装了数据和操作集 的实体。
• 消息（Message）：请求 对象执行某一操作或回答 某些信息的要求。
• 类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具 体的关系。
3. 对象的性质
• 封装：
• 继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特 征和功能。不必重复实现，减少代码。
2. 概念模型（空间特征，关系描述）
（1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型； （2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： • 空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； • 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； • 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相
关关系。
3. 空间数据库的数据模型设计
层次、网状显式地描述关系，但不自然；关系模型联系隐 含，必须检索全部记录才能确定。
（3）语义贫乏
用单一结构描述描述“交互”、“从属”、“构成”等众 多联系，语义上无法区别。
（4）数据类型太少
只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。
一、语义数据模型
－实体联系模型（E –R模型）
• 提供三种语义概念：
（1）实体：客观存在的起独立作用的客体。 （2）联系：实体间的相互作用或对应关
系:1:1,1:N,M:N, （3）属性：对实体和联系特征的描述。
空间数据库
空间和属性数据 库
第15页
统一数据模型
纯关系的数据模型，其空间数据和 属性数据都用关系数据的关系表来 存储，使用标准关系连接机制建立 空间数据和属性数据的关连。 具有关系数据库查询、检索、数据 完整性和安全机制等优点 数据类型定义方面有一定的局限性 ，缺乏空间SQL。 ESRI的Spatial Database Engine(SDE) Oracle的Spatial模块
• Personal Geodatabases are stored in MS Access. Enterprise can be Oracle, SQL Server, Informix, DB2 • Enterprise scale higher • No raster storage in Personal • Single user editing for Personal
缺点
不能表示多对多的关系 难以顾及实体之间的拓扑关系型
用有向线段连接首客体 和属客体。首属客体相 联构成一个系。 不限制客体类和系类的 个数，也不限制客体类 之间的从属关系。
第7页
网状数据模型特点
优点： 缺点
• 可以描述现实世界中极为常见的多对多关系 • 避免数据冗余，已有数据可以充分使用
第26页
GEODATABASE
Geodatabase
Geodatabase
Features Grids Images Rules
Files / Workspace
tins coverages shapes grids tables images
Tables
Relationships
Access, Oracle, Informix, DB2, …
GIS概论 第四章 空间数据库
第四章空间数据库第一节数据库概述数据库技术是60年代初开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术。
数据库的应用领域相当广泛，从一般事务处理，到各种专门化数据的存储与管理，都可以建立不同类型的数据库。
建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。
地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库，空间数据库的理论与方法是地理信息系统的核心问题。
一、数据库的定义数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。
计算机对数据的管理经过了三个阶段—最早的程序管理阶段，后来的文件管理阶段，现在的数据库管理阶段。
其中，数据库是数据管理的高级阶段，它与传统的数据管理相比有许多明显的差别，其中主要的有两点：一是数据独立于应用程序而集中管理，实现了数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益；二是在数据间建立了联系，从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系。
地理信息系统的数据库(以下称为空间数据库)是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合。
空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：(1) 数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往大得惊人。
即使是一个很小区域的数据库也是如此。
(2) 不仅有地理要素的属性数据(与一般数据库中的数据性质相似)，还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。
（3) 数据应用的面相当广，如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等等。
上述特点，尤其是第二点，决定了在建立空间数据库时，一方面应该遵循和应用通用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它数据库所没有的管理空间数据的问题。
GIS第四章地理信息系统空间数据库
三、 面向对象的数据模型 1、基本概念
对象：对现实世界中一个事物的抽象或模型化表达。自身状 态＋内在功能（客体数据＋对数据的操作）。一个对象具有一 个唯一的名称标识。 类：多个对象共同特征的抽象概括。 实例：某类的一个具体对象。 消息：对象之间相互请求或相互协作的唯一途经和通信形式。 方法：对象收到消息后应采取的动作系列的描述。
（1）空间数据库存储系统 空间数据库存储系统是GIS在计算机物理存储介质上存
储的与应用相关的地理空间数据的总和。 一般以一系列特定结构的文件形式存储在硬盘、光盘等
介质上。
（2）空间数据库管理系统 指能够对介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑
上的定义，提供空间数据查询、检索、存取、维护和更新 功能的软件系统。
2空间数据库设计的原则尽量减少空间数据存储的冗余量提供稳定的空间数据结构满足用户对空间数据及时访问的需求并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果在数据元素间维持复杂的联系以反映空间数据的复杂性支持多种多样的决策需要具有较强的应用适用性装入试验性的空间数据对应用程序进行测试以确认其功能和性能是否满足设计要求并检查对数据库空间的占有情况装入实际的空间数据即数据库的加载建立起实际运行的空间数据库知识结构一什么传统数据模型
第三节 空间数据库逻辑模型设计
一、关系数据模型
在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二 维表，表具有固定的列数和任意的行数，在数学上称为 “关系”。
二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应 于表中的一行，相当于通常的一个记录；表中的列表示属 性，相当于通常记录中的一个数据项。这种满足一定条件 的规范化关系的集合，就构成了关系模型。
文件管理：20世纪50年代后期至60年代中期。计算机 用于科学计算，也用于数据管理。数据以文件形式长期保 存在磁盘上。但文件之间相互独立、缺乏联系。数据重复 产生冗余。文件建立、存取、查询、插入、删除、修改等 操作都要用程序实现。
第四章 GIS空间数据库gis
②以实验性数据进行系统测试；
③加载实际数据，实现空间数据库的建立。
2、空间数据库的运行与维护
第二节 空间数据库概念模型设计: 语义模型与对象模型
• 语义数据模型
E-R模型。实体、联系、属性等概念
面向对象的基本概念：
• 面向对象的数据模型
对象、类； 继承； 重载； 概括与聚集。
2) 概 括：
概括是把几个类中某些具有部分 公共特征的属性和操作方法抽象出 来，形成一个更高层次、更具一般 性的超类的过程。 子类和超类用来表示概括的特 征，表明它们之间的关系是“即 是”(is-a)关系，子类是超类的一 个特例。如多边形对象类和弧段对象
类概括形成空间对象类
3） 聚 集：
聚集是将几个不同类的对象组合 成一个更高级的复合对象的过程。 “复合对象”用来描述更高层 次的对象，“部分”或“成分” 是复合对象的组成部分。“成分” 与“复合对象”的关系是“部 分”(parts—of)的关系。如多边
② 设计全局的E-R模型：
③ 全局E-R模型的优化：实体类型尽可能少，所 含属性尽可能少，实体类型之间联系无冗余。 优化的方式： 把有联系的实体类型合并； 冗余属性的消除； 冗余联系的消除。
二、面向对象的数据模型
1、基本思想：我们通过对问题领域进行 自然分割，用更接近人类通常思维的方式建 立问题领域的模型，从而将客观世界的一切 实体模型化为对象。 每一种对象都有各自的内部状态（结构 模拟）和运动规律（行为模拟）；不同对象 之间的相互联系和相互作用就构成了各种不 同的系统，并使系统尽可能地直接表现出问 题的求解过程。
空间数据库的分类：
从应用性质上空间数据库可分为基础 地理空间数据库和专题数据库。
地理信息系统空间数据库
地理信息系统空间数据库在当今数字化的时代，地理信息系统（GIS）已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。
从导航软件帮助我们找到最佳路线，到城市规划者制定合理的土地利用方案，再到科学家研究气候变化对生态系统的影响，GIS 都发挥着重要的作用。
而在 GIS 中，空间数据库则是其核心组成部分，它就像是一个巨大的仓库，存储着各种地理相关的数据，并为 GIS 的运行和分析提供了坚实的基础。
那么，什么是地理信息系统空间数据库呢？简单来说，它是一种专门用于存储、管理和查询地理空间数据的数据库。
与传统的数据库不同，空间数据库不仅能够存储属性数据（如地名、人口数量等），还能够存储地理空间数据（如点、线、面等几何图形以及它们的位置、形状和拓扑关系）。
这些空间数据可以是地图上的各种要素，比如道路、河流、建筑物等，也可以是通过卫星遥感、全球定位系统（GPS）等技术获取的地理信息。
为了更好地理解空间数据库，让我们先来看看它的一些特点。
首先，空间数据库具有海量的数据存储能力。
由于地理空间数据通常非常庞大和复杂，空间数据库需要能够容纳大量的数据，并且能够高效地进行管理和组织。
其次，空间数据库支持空间索引。
这意味着它能够快速地定位和检索特定区域或特定类型的地理空间数据，大大提高了数据查询和分析的效率。
此外，空间数据库还具有强大的空间分析功能。
它可以进行缓冲区分析、叠加分析、网络分析等各种复杂的空间运算，帮助用户从地理数据中提取有价值的信息。
那么，空间数据库是如何构建和管理的呢？一般来说，构建空间数据库需要经过数据采集、数据预处理、数据存储和数据管理等几个步骤。
在数据采集阶段，我们可以通过多种方式获取地理空间数据，如实地测量、遥感影像解译、地图数字化等。
采集到的数据往往存在各种误差和不一致性，因此需要进行数据预处理，包括数据清洗、坐标转换、数据格式转换等，以确保数据的质量和一致性。
然后，将处理好的数据存储到空间数据库中，并建立相应的索引和数据结构，以便快速访问和查询。
第四章 空间数据库
4 点-线查询 查询某点实体一定范围内的线实体。步骤
： (1)激活点图层，选择一个点
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(2)SQL查询 激活线图层，输入查询条件
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5 线-线查询
查询与某个线实体相连的其他线实体。步骤：
(1)激活线图层，选择一条线
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网状模型用连接指令或指针来确定数据间的显 式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方 式 。网络模型将数据组织成有向图结构，结构 中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间 的关系。
存在以下问题：1）结构复杂，增加了用户查询 和定位的困难。要求用户熟悉数据的逻辑结构， 知道自身所处的位置。（2）网状数据操作命令 具有过程式性质（3）不直接支持对于层次结构 的表达。
(2)SQL查询
输入查条件
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6 面-线查询 查询经过某个面实体的线实体。步骤：
(1)激活面图层，选择一个面
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(2)SQL查询 激活线图层，输入查询条件
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7 点-面查询
查询某个点实体被包含在哪个面实体内部。 步骤： (1)激活点图层，选择一个点
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点、线、面实体相互关系的9种查询： 1 点-点查询
查询某点实体给定距离范围内的其他点 实体。如200km。步骤： (1)激活点图层，选择一个点
本次您浏览到是第二十五页，共四十三页。
(2)SQL查询（200km以内的其他点）
地理信息系统概论名词解释总结
l 数字地面模型(DTM)：是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。
l 数字高程模型(DEM)：当数字地面模型的地面属性为海拔高程时，则该模型即为数字高程模型。
l 数字地形分析(DTA)：是指在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术。DTA技术是各种与地形因素相关空间模拟技术的基础。
l 地理信息：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称；它属于空间信息，具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。
l 地理信息科学：与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一个技术实现，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题。地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。
l 边界代数算法：边界代数多边形填充法是一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式转换算法，它适用于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构。它不是逐点判断与边界的关系完成转换，而是根据边界的拓扑信息，通过简单的加减代数运算将边界位置信息动态地赋给各栅格点，实现了矢量格式到栅格格式的高速转换，而不需要考虑边界与搜索轨迹之间的关系，因此算法简单、可靠性好，各边界弧段只被搜索一次，避免了重复计算。
l DIME文件：美国人口普查局在1980年的人口普查中提出了双重独立地图编码文件。它含有调查获得的地理统计数据代码及大城市地区的界线的坐标值，提供了关于城市街道，住址范围以及与人口普查局的列表统计数据相关的地理统计代码大纲要图。在1990年的人口普查中，TIGER取代了DIME文件。
测绘技术中的地理信息系统与空间数据库
测绘技术中的地理信息系统与空间数据库随着科技的不断进步和发展，测绘技术在现代社会中扮演着重要的角色。
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）和空间数据库作为测绘技术中的两大核心概念，对于地理信息的收集、管理、分析和应用起着至关重要的作用。
一、地理信息系统的概述地理信息系统是以空间数据为基础，通过软件技术对地理现象进行描述、分析和预测的系统。
它将地图、数据库和计算机技术有机地结合在一起，使得地理现象和空间关系可以通过数字化的方式进行管理和处理。
地理信息系统包括数据采集、数据存储、数据管理、数据分析和数据展示等多个环节。
数据采集是GIS的基础，通过遥感、GPS定位、测绘等技术手段，可以获取大量的地理数据。
其中，遥感技术的应用尤为广泛，可以高效地获取广大范围的地理信息。
数据存储和管理使得大量的数据可以被有效地组织和管理起来，以便后续的分析和应用。
数据分析是GIS的核心功能之一，通过对数据的处理和分析，可以发现地理现象之间的关联性和规律性。
数据展示是最终向用户展示结果的环节，通过地图、图表等形式，将复杂的地理信息转化为直观的可视化结果。
二、空间数据库的重要性空间数据库是地理信息系统的基础设施，负责存储和管理地理信息的空间数据。
与传统的关系型数据库相比，空间数据库不仅具备储存和管理数据的能力，还包含了对地理数据进行空间查询和分析的功能。
空间数据库的设计和实现需要考虑到地理数据的特殊性。
地理数据具有空间关联性和拓扑关系，因此空间数据库需要支持空间查询、空间索引和拓扑关系的维护。
同时，由于地理数据的大小和复杂性往往超出了传统数据库的承载能力，因此空间数据库需要具备高效的数据存储和检索性能。
空间数据库的应用范围广泛，包括地理空间分析、地理空间模拟、地理空间预测等多个领域。
例如，在城市规划中，通过对空间数据库中的地理数据进行分析，可以有效地评估城市交通、环境和人口分布等问题，从而为城市规划提供科学依据。
第四章-空间数据库
x
26.7 28.4 46.1 31.3 68.4
y
23.5 46.5 42.5 45.6 38.7
地 图
M
Ⅰ
Ⅱ
2 a 1
b Ⅰ d c 4
3
e Ⅱ g
5 f
M
多 形 边
Ⅰ Ⅱ
点
a c b e c f d g
1 2 3 4
x1 x2 x3 x4 x5 x6
y1 y2 y3 y4 t5 y6
学校名称 西北大学
系名 教师数 学生数 研究生 系名 教师数 学生数 研究生 城资系 系名 52 教师数 300 学生数 70 研究生 49 257 71 地质系 化学系
学号 姓名 年级 籍贯 系名 教师数 学生数 002312 系名 张三 教师数 3 学生数广东 研究生
教师号 姓名 年龄 职称 系名 教师数 学生数 66 系名 李四 教师数 30 学生数教授 研究生
数据库技术是20世纪 年代初开始发展起来的一 数据库技术是 世纪60年代初开始发展起来的一 世纪 门数据管理自动化的综合性新技术。 门数据管理自动化的综合性新技术。 一、数据库 数据库： 为了一定的目的 ， 在计算机系统中以特定的 数据库 ： 为了一定的目的， 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 空间数据库： 即地理信息系统的数据库， 空间数据库 ： 即地理信息系统的数据库 ， 是某区域内 关于一定地理要素特征的数据集合。 关于一定地理要素特征的数据集合。
1、计算机对数据的管理阶段
经过了三个阶段 ： 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段
（1）程序管理阶段 变量赋值、运算、输出均在一个程序中进行，值变程 序就变。 如：add.c #include “stdio.h” main() { int a,b,c; a=3; b=5; c=a+b; printf(“c=%d\n”,c); } 编译后生成add.exe。
第四章地理信息系统数据库管理
第四章地理信息系统数据库管理1.地理信息系统（GIS）数据库管理是GIS系统中非常重要的一个组成部分，它涉及到地理数据的组织、存储、管理和查询等方面。
本章将介绍GIS数据库管理的基本概念、技术和方法。
2. GIS数据库管理的基本概念GIS数据库管理是指对地理信息数据进行集中管理和组织的过程，包括数据的存储、更新、检索和维护等操作。
GIS数据库管理的目标是实现对地理信息数据的高效管理和有效利用。
2.1 数据模型在GIS数据库管理中，数据模型是描述和组织地理信息数据的基本框架。
常见的GIS数据模型包括层次模型、关系模型和对象模型等。
每种模型都有其特点和适用场景，可以根据实际需求选择合适的模型。
2.2 数据结构数据结构是指在数据库中组织和存储地理信息数据的方式。
常见的数据结构包括点、线、面和栅格等。
不同的数据结构适用于不同的地理信息数据类型，比如点数据适用于标注位置，线数据适用于道路和河流等线性对象，面数据适用于土地利用和行政区划等区域对象。
2.3 数据库管理系统数据库管理系统（DBMS）是进行GIS数据库管理的核心软件系统，它提供了对地理信息数据的存储、查询和管理等功能。
常见的DBMS包括Oracle、SQL Server和PostgreSQL等。
选择合适的DBMS可以提高GIS数据库管理的效率和性能。
3. GIS数据库管理的常用技术GIS数据库管理涉及到许多常用的技术，下面介绍几种常见的技术。
3.1 空间索引空间索引是对地理信息数据进行快速检索的一种技术。
它通过将地理信息数据划分为多个空间单元，然后建立索引结构，从而实现对地理数据的高效检索。
常见的空间索引方法包括四叉树、R树和网格索引等。
3.2 数据压缩数据压缩是对地理信息数据进行压缩存储的一种技术。
它可以减少数据存储空间，提高数据传输效率。
常见的数据压缩方法包括矢量压缩和栅格压缩等。
3.3 数据清理数据清理是对地理信息数据进行清理和修复的一种技术。
第四章_地理信息系统GIS空间数据库
第三节 空间数据库逻辑模型设计
数据库逻辑设计的任务是把数据库概念设计阶段产生的概念数据 库模式变换为逻辑数据库模式，即适应于某种特定数据库管理系统所 支持的逻辑模型。
传统的数据模型 层次模型 网状模型 关系模型
一、层次模型
概念：层次模型是以记录类型为结点的有向树或森林，能很好地
表达1:N的关系。
辅助用户的空间分析与决策 • 要求：高效 • 关键：数据模型
空间数据库主要是为GIS提供空间数据的存储和管理方法。 空间数据的存储和管理通常有两种方式：
• 空间数据文件存储管理：空间数据以操作系统的文件形式保存在计算 机中。 特点： 一个GIS软件可以同时直接使用多个 空间数据文件，一个空间数据文件也可 同时为多个GIS软件共享；但空间数据存 储在不同的文件里造成数据是面向应用 的，多个文件之间彼此孤立，不能反映 数据间的联系，易造成数据的冗余和不 一致性等问题。
概括：概括是把一组具有相同持征和操作的对象归纳在一个更一 般的超类中。
聚集：聚集反映了嵌套对象的概念，嵌套对象是由一些其他对象 组成的，它是用来描述更高层次对象的一种形式。即把几个不同 性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。
（五）空间数据库对象模型
运用面向对象的概念和方法就可以建立起GIS中空间数据库的对象 数据模型。如OpenGIS协会推荐的空间对象数据模型：
图中用矩形符号表示，实体名标注于矩形符号内。 联系：联系是客体间有意义的相互作用或对应关系，分为1:1、1:N、
M:N三种类型。用菱形符号表示，实体和联系之间用线段连接并注 明连接类型。 属性：属性是对实体和联系特征的描述。用椭圆表示，椭圆中标注 属性名称，属性同实体和联系之间也用线段连接。
走向
4地理信息系统空间数据库
4地理信息系统空间数据库地理信息系统（GIS）在当今的社会发展中扮演着至关重要的角色，而空间数据库则是地理信息系统的核心组成部分。
它就像是一个巨大的数字仓库，专门用来存储和管理与地理空间相关的各种数据。
那么，什么是地理信息系统空间数据库呢？简单来说，它是一种用于存储、管理和查询地理空间数据的数据库系统。
这些数据包括但不限于地理位置、地形地貌、土地利用、道路网络、水系分布等等。
与传统的数据库相比，空间数据库具有独特的特点和功能，能够处理和分析空间位置关系，为地理信息系统的应用提供强大的数据支持。
空间数据库中的数据类型多种多样。
有点数据，比如一个城市的坐标点；有线数据，例如一条河流的走向；还有面数据，像是一个湖泊的范围。
此外，还有栅格数据和矢量数据之分。
栅格数据就像是一幅由像素组成的图片，每个像素代表一个特定的地理区域和属性值。
矢量数据则是通过点、线、面的坐标来精确描述地理实体的形状和位置。
为了有效地管理这些复杂的数据，空间数据库采用了一系列特殊的技术和结构。
其中，索引技术是非常关键的。
它就像是一本书的目录，能够帮助我们快速找到所需的数据。
常见的空间索引包括 R 树、四叉树等。
通过这些索引结构，空间数据库能够在大量的数据中迅速定位到与查询条件相关的部分，大大提高了数据检索的效率。
空间数据库的存储方式也有讲究。
它不仅要考虑数据的存储空间，还要保证数据的读写速度和完整性。
在存储数据时，需要根据数据的类型、规模和使用频率等因素，选择合适的存储介质和存储策略。
例如，对于经常访问的热点数据，可以采用高速缓存来提高访问速度；对于大规模的历史数据，可以采用压缩存储来节省空间。
数据的质量对于空间数据库来说至关重要。
不准确、不完整或不一致的数据可能会导致错误的分析结果和决策。
因此，在数据采集、录入和更新的过程中，需要严格遵循相关的标准和规范，进行数据质量控制和检查。
同时，要建立有效的数据更新机制，确保数据库中的数据能够及时反映现实世界的变化。
数据库的空间数据库与地理信息系统
数据库的空间数据库与地理信息系统随着信息技术的不断发展，数据库技术也在逐步完善。
空间数据库与地理信息系统作为数据库技术的重要分支，在现代社会中扮演着重要的角色。
本文将从空间数据库和地理信息系统的概念入手，介绍它们的基本特征、应用领域以及未来的发展趋势。
一、空间数据库的概念和基本特征空间数据库是一种将空间信息存储到数据库中的技术。
它是传统关系型数据库的扩充和延伸，具备了空间数据存储、查询和分析等功能。
与传统关系型数据库相比，空间数据库可以非常方便地处理空间数据，为各种应用和系统提供了支持。
空间数据库具有多种基本特征。
首先，它可以处理包含空间位置信息的数据类型，例如点、线、面等。
其次，它能够进行空间数据的查询和分析，如空间关系、距离、面积、缓冲区等。
此外，空间数据库还能够提供空间数据的可视化和可交互操作，如地图显示和空间数据编辑等。
二、地理信息系统的概念和基本特征地理信息系统是一种将地理空间信息存储、处理和管理起来的综合性信息系统。
它通过计算机技术，实现了地理空间信息的数字化，能够方便地进行地理信息的分析和处理，在多个领域都有广泛的应用。
地理信息系统在基本特征上有以下几个方面。
首先，它能够处理包含位置信息和属性信息的复杂空间数据。
其次，地理信息系统具备了地图显示、查询、分析、模拟、制图等功能。
除此之外，地理信息系统还基于位置来发现和分析地理现象，如地质勘探、气象预测、城市规划等。
三、空间数据库和地理信息系统的应用领域空间数据库和地理信息系统在多个领域都有着广泛的应用。
其中，空间数据库主要服务于计算机辅助设计、地理信息系统等系统。
而地理信息系统则广泛应用于国土资源调查、城市规划、交通运输管理、环境保护等领域。
在现代化的城市规划、交通管理和社区服务等方面，空间数据库和地理信息系统都有着不可替代的作用。
四、空间数据库和地理信息系统的发展趋势随着计算机技术的不断发展，空间数据库和地理信息系统也在不断地完善和发展。
4地理信息系统空间数据库
范围索引实质是无索引文件的一种图形检索方法。对所击点 的图，通过判别是在那个包络线矩形之内，基本决定其位置。
一次判别
一次判后再进一步一次判别
二、格网索引基本思想
是将区域划分成大小相等的网格，记录每个网格内所包含 的空间实体在数据库中的地址。
为了便于建立空间索引的线性表，可以将每个空间网格按
顺序进行编码，建立顺序码与空间实体的对应关系。
点-点查询：查询距离某点实体一定范围内的其他点实体。如查询距离水井 1km范围内的所有村落。 “开窗”查询： 在图形显示屏幕上用光标临时划定一个不规则的多边形， 好像在背景地图上开了一个“窗”，然后查出和该
窗口有关的点、线、面及其属性信息。
二、属性数据查询
大多数的GIS软件都将属性信息存储在关系数据库中， 而几乎所有的关系数据库管理系统都支持结构化查询语
一、范围索引
即在记录每个空间实体的坐标时，同时记录每个空间实
体的最大和最小坐标。
在通过一个查询范围查询包含在其中的空间实体时，根 据空间实体的最大和最小范围，预先排除那些没有落入 查询范围内的空间实体，只对那些最大和最小范围落在 查询范围内的空间实体进行进一步的坐标位置等判断，
最后查询出那些真正落入查询范围内的空间实体。
空间索引 空间对象 代码
C
A B B B B B C C C D
2 12- 15 15 24 26 36-37 34 40 42 60
三、四叉树索引
四叉树空间索引是将区域进行若干层次的划分，每个层
次的划分是将上一层次划分得到的每个区域分成四个相
等的子区域，判定空间实体包含在哪一层次的那个子区
域中，则用子区域的编码来记录空间实体，这样就形成
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第一节 空间数据库概述
（1）概念模型
实际上是现实世界到机器世界的一个中间层。概念模型用于信息世界的 建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是设计人员的有力工具。
概念结构 设计过程
需求分析
用户需求
抽象
特点
概念结构
信息结构
概念模型
能够真实、 处分的反映 现实世界
第一节 空间数据库概述
一、空间数据库的概念
1. 数据库的相关概念 ①数据库：是指长期储存在计算机内有结构的、大量的、可共享的数据 集合。 ②数据库管理系统：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件； 他的功能包括：数据定义，数据操作，数据库的运行管理，数据库的建 立和维护。 ③数据库系统：指在计算机系统中引入数据库后的系统，它由数据库、 数据库管理系统及其开发工具、应用系统、数据库管理员和用户构成。 ④数据库系统管理员： 负责数据库的建立、使用和维护的专门人员。
第四步 物理设计
数据库最终是要存储在物理设备上的。为一个给定的逻辑数据模型选
取一个最适合应用环境的物理结构（存储结构与存取方法）的过程，
就是数据库的物理设计。 数据库的物理设计特点 设计人员必须充分了解所用DBMS的内部特征，特别是存储结构和存取 方法； 充分了解应用环境，特别是应用的处理频率和响应时间要求； 充分了解外存设备的特性。
(4)修改错误：包括程序和数据。
数据间的逻辑关系 1.一对一的联系（1：1）
这是比较简单的一种联系方式，是指在集合A中存
在一个元素αi，则在集合B中就有一个且仅有一个bj与 之联系。在1:1的联系中，一个集合中的元素可以标识
另一个集合中的元素。例如，地理名称与对应的空间 位置之间的关系就是一种一对一的联系。
第一节 空间数据库概述
两个实体之间的联系可分为以下三类
① 一对一联系(1:1) ② 一对多联系(1:n)。 ③ 多对多联系(m : n)
注意： E-R图仅仅是对现实世界描述的一种工具，仅能建立概念模型 (信息模型)，不能在计算机上直接实现。
第一节 空间数据库概述
（2）数据模型 常用数据模型种类
层次模型
• 程序管理阶段： • 在20世纪50年代中期前，硬件里外存储器没有磁 盘这类可以随机访问、直接存取的设备，软件上 没有专门的管理数据的软件，数据由计算或处理 数据的程序自行携带。 • 这一时期的特点：数据与程序不具有独立性，一 组数据对应一组程序。数据不长期保存，一个程 序中的数据无法被其他程序利用，程序与程序间 存在大量的重复数据，称为数据冗余。
典型GIS空间数据文件存储形式： (1)MapInfo 数据文件 *.tab：头文件，软件版本号、存储坐标投影、地图
边界、属性项名等，是ASCII码文件。
*.map：图形文件，存储所有GIS图形。 *.id ：索引文件，存储图形与属性的关联关系。 *.dat：属性文件，存储所有属性项值。 （2）ArcView shape数据文件 *.shp: 图形文件 *.dbf：属性文件 *.shx：索引文件
（4）事务控制：事务控制的目的就是保证多用户环境下的数据库的完
整性和一致性。
第一节 空间数据库概述
3、空间数据库的运行与维护 (1)维护空间数据库的安全性和完整性：需要及时调整授权和密码，
转储及恢复数据库
(2)监测并改善数据库性能：分析评估存储空间和响应时间 (3)增加新功能：按用户的需要及时扩充功能，满足用户的新需要。
第三步 逻辑设计
逻辑设计应该选择最适于描述与表达相应概念结构的数据模型，然后 选择最合适的空间数据库管理系统。设计逻辑结构时一般要分三步进行：
①将概念结构转换为一般的关系、网状、层次模型
②将转化来的关系、网状、层次模型向特定空间数据库系统支持下的数 据模型转换。
③对数据模型进行优化。
第一节 空间数据库概述
第一节 空间数据库概述
三、 空间数据库的实施和维护 1、数据库的实现
根据逻辑设计和物理设计的结果，在计算机上建立实际的空间数据
库系统，装入空间数据，并调试和运行。 建立实际的空间数据库结构
装入试验性的空间数据对应用程序进行测试，以确认其功能和性能
是否满足设计要求 装入实际的空间数据，即数据库加载，建立起实际运行的数据库。
报告及图件。包括： 现有机构的组织结构图
软件、硬件资源表
专业人员清单 部门功能清单 数据来源清单
第一节 空间数据库概述
第二步 概念化设计
把用户的需求加以解释，用概念模型表达出来，具体任务包括： 1)数据库的宏观定义 指对数据库比例尺、地图投影和坐标系统的定义。 2)数据库的特征设计
对于各种地理特征有关的属性数据中以什么几何形式表达进行设计。
• A• •
A
1：N
• •• • •B •
B
数据间的逻辑关系
3.多对多的联系（M：N）
这是现实中最复杂的联系 ，即对于集合A中的一个元素αi， 在集合B中就存在一个子集B’＝（bj1,bj2,...,bjn）与之相联系。反 过来，对于B集合中的一个元素Bj在集合A中就有一个集合 A’=(αi1,αi2,αi3,...αim)与之相联系，即M：N的联系。地理实体中 的多对多联系是很多的，例如土壤类型与种植的作物之间有多对 多联系，同一种土壤类型可以种不同的作物，同一种作物又可种 植在不同的土壤类型上。
• 数据库阶段： • 在20世纪60年代后期，数据量急剧增长，而且数 据共享的需求日益增强，因此开始发展数据库技 术。 • 数据库技术的主要目的是有效地管理和存取大量 数据资源。 • 数据库技术
– 提高数据的共享性，使多个用户能够同时访问数据库 中的数据； – 减小数据的冗余度，以提高数据的一致性和完整性； – 提供数据与应用程序的独立性，从而减少应用程序的 开发和维护代价。
• A• •
A
1：1
• •B •
B
数据间的逻辑关系
2.一对多的联系（1：N）
现实生活中以一对多的联系比较常见。如图所示，这种联系
可以表达为：在集合A中存在一个αi，则在集合B中存在一个子集 B’＝（bj1,bj2,...,bjn）与之联系。通常，B’是B的一个子集。行政 区划就具有一对多的联系，一个省对应多个市，一个市对应多个 县，一个县又有多个乡。
数据库试运行
第一节 空间数据库概述
2、相关的其它设计 在数据库试运行期间，应进一步完善数据库的功能和性能。
（1）空间数据库再组织：调整或者改变空间数据库的概念、逻辑和物理
结构的。 （2）安全性考虑：规定相应的数据库使用权限，保证数据库的安全运
行。主要方法是授权。
（3）故障恢复处理：数据库恢复就是把数据库从错误状态恢复到某一 已知的正确状态（亦称为一致状态或完整状态）的功能。
3)数据库表格及其关系的设计表达 对与地理特征有关的属性数据在数据库中表达方式的设计。
第一节 空间数据库概述
4）数据库总体设计的评定 根据数据库的应用目的和数据内容及使用方式来评价前面三步的设计结 果。
5）数据库概念模型的起草
将GIS数据库的概念设计起草成正式的文件，作为后面详细设计时参考。
第一节 空间数据库概述
第一节 空间数据库概述
2. 空间数据库的相关概念 空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地 理空间数据的总合，以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上。 空间数据库（系统）组成：包括3部分 空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的 地理空间数据的总合，一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介 质上。 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，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对 空间数据进行有效的维护和更新的一套软件。 数据库应用系统：应用模块。
第一节 空间数据库概述
3. 空间数据库设计的原则、步骤和技术方法
设计原则： ①尽量减少空间数据存储冗余； ②提供稳定的空间数据结构，在用户的需要改变时，数据结构能 够做出相应的变化； ③满足用户对空间数据及时访问的需求，高效提供用户所需的空 间数据查询结果； ④在空间元素间维持复杂的联系，反映空间数据的复杂性； ⑤支持多种决策需要，具有较强的应用适应性。
第一节 空间数据库概述
地理空间的认知
① 地理空间实体（客体）
地理空间是一个三维空间，有四个基本实体 点实体 线实体 面实体 体实体
第一节 空间数据库概述
② 地理空间实体间的联系
空间位置，空间分布，空间形态、空间相关等 空间信息反映了空间分析所能揭示的信息，彼 此互有联系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
空间联系
时间联系
通过实体变化过程来反映。
网状模型
关系模型 面向对象模型
第一节 空间数据库概述
设计步骤
第一步 需求分析
第二步 概念设计 第三步 逻辑设计
第四步 物理设计
第五步 数据库的实施和维护
第一节 空间数据库概述
第一步 用户需求分析
GIS数据库开发应该主要了解下面的内容 明白即将开发的GIS所支持的各种功能；
了解系统要求的数据内容和行为；
第一节 空间数据库概述
3、空间数据库管理系统的实现方法 空间数据库管理系统是建立在常规数据库管理系统的基础上，实现对空 间数据的管理功能。 常规数据库管理系统扩展：直接对常规数据库管理系统进行扩展，
加入一定数量的空间数据存储与管理功能。
例如：Oracle 空间数据库引擎（SDE: Spatial Database Engine）：在常规数据 库管理系统上加一层空间数据库引擎，实现空间数据的存储与管理。 例如：ESRI的SDE
属性联系
实体间的属性主要体现为属性多级分类体系中 的从属关系、聚类关系和相关关系