空间数据库 第二章(3)空间数据库的设计原理和实例
地理信息系统复习要点
地理信息系统复习要点详解所著考过为11级环科期中考试考过（张福平教的）第一章：导论1、解释数据与信息的概念，并说明两者之间的关系。
数据是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况。
信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、现象等内容、数量或特征，以便向人们提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
数据与信息的关系：数据是信息的表达形式，是信息的载体；信息则是数据中蕴含的事物的涵义，是数据的内容。
数据只有通过解释才有意义，才成为信息。
总之，数据是信息的载体，信息是数据的涵义。
2、地理信息的特点空间特征属性特征时序特征3、地理信息系统的定义（考过）地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、存储、管理、分析、模拟和显示以提供对规划、管理、决策和研究所需的信息空间系统。
4、地理信息系统由哪几个主要部分组成？（考过）系统硬件：（一）数据处理设备：a图形工作站b个人计算机c客户机/服务器系统（Client/Server ，简称C/S）;（二）数据输入设备:a图形手扶跟踪数字化仪b大幅面图形扫描仪c数字测量设备；（三）数据输出设备：a绘图仪b计算机显示器系统软件：（一）GIS功能软件1.GIS功能软件的分类GIS 基础软件平台和GIS应用软件2.GIS基础软件平台功能①空间数据输入和编辑②空间数据管理③空间数据处理和分析④空间数据输出⑤图形用户界面⑥系统二次开发功能（二）基础支撑软件：主要包括系统库软件和数据库软件。
（三）操作系统软件5、地理信息系统的功能有哪些？（基本功能与应用功能具体有哪些）（考过）基本功能与应用功能基本功能：数据的采集与编辑、数据的存储与管理、数据的处理与变换、空间分析和统计、产品的制作与演示、二次开方和编程应用功能：资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策第二章：地理信息系统的数据结构1、地理空间的实体包括哪些？地理空间的实体包括点（point ）、线（line ）、面（polygon ）、曲面（surface ）、体（volume）等类型。
空间数据库原理
空间数据库原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊空间数据库原理。
这玩意儿啊，就像是一个超级大的宝库，里面装满了各种神奇的空间信息。
你可以把空间数据库想象成一个巨大的地图册，不过这个地图册可厉害啦！它不只是简单地画了些地图，而是把各种地理相关的信息都整整齐齐地放进去啦。
比如说啊，城市的位置、道路的走向、山川河流的分布，甚至每栋房子的具体位置都能在里面找到呢！那它是怎么做到这么厉害的呢？这就好像一个超级管理员，把所有的空间信息都有条有理地管理起来。
它有自己的一套方法，能快速准确地找到你需要的信息。
比如说你想找某个地方的气候数据，嘿，它一下子就能给你翻出来，就像变魔术一样！而且哦，空间数据库还特别能装！不管有多少数据，它都能轻松应对。
这就好比一个超级大胃王，再多的食物都能吃得下。
不管是海量的地理坐标，还是复杂的空间关系，它都能妥妥地存好。
你说这空间数据库对我们有啥用呢？用处可大啦！想想看，导航软件不就是靠它才能准确地给我们指路吗？还有城市规划、环境保护等等，都离不开它呀。
没有它，我们的生活可就没那么方便咯！比如说，规划师们要建一个新的小区，他们就得依靠空间数据库来了解这块地的周边环境啊，有没有学校、医院、商场啥的。
这样才能把小区建得更合理，让大家生活得更舒适呀。
再比如说，搞科研的人也得靠它呢！研究气候变化、地质灾害啥的，都得从空间数据库里找数据来分析呀。
空间数据库就像是我们生活中的一个默默付出的好帮手，平时可能不太起眼，但关键时刻真的太重要啦！我们可得好好珍惜它，让它更好地为我们服务呀！总之，空间数据库原理可真是个有趣又实用的东西。
它就像一个隐藏在幕后的大英雄，默默地为我们的生活和社会的发展贡献着力量。
我们要多去了解它、学习它，让它发挥出更大的作用！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
空间数据库设计概述
需求分析
概念设计
逻辑设计
物理设计
空间 数据库
地理现象 和过程
数据库的 概念模型
数据库的 逻辑模型
数据库的 存储模型
现实世界
信息世界
计算机世界
4
3.1.1 空间数据库设计的内容
需求分析
概念设计
数据库 运行与维护
数据库实现
逻辑设计 物理设计
5
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
6
3.1.2 空间数据库设计的目标
满足用户 需求
良好的数 据库性能
准确模拟 现实世界
能够被某 个数据库 管理系统
接受
7
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
8
3.1.2 空间数据库设计原则
1. 空间数据库设计与应用系统设计相结合的原则； 2. 数据独立性原则； 3. 共享度高、冗余度低的原则； 4. 用户与系统的接口简单性原则； 5. 系统可靠性、安全性与完整性原则； 6. 系统具有重新组织、可修改与可扩充用性原则。
3.1 空间数据库设计概述
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
2
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
3
3.1.1 空间数据库设计的内容
• 数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建 立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应 用需求。
数据库及空间数据库概论
地理信息共享与协同
空间数据库可以实现地理信息的共享和协同，促 进不同部门和地区之间的信息交流与合作。
遥感图像处理中的空间数据库应用
遥感数据存储与管理
空间数据库可以存储和管理大量的遥感数据，实现数据的统一管理 和高效访问。
MySQL Spatial
Oracle Spatial是Oracle数据库的一 个组件，提供了强大的空间数据管理 和分析功能。
MySQL Spatial是MySQL数据库的一 个扩展，提供了基本的空间数据类型 和函数，支持空间数据的存储和查询。
PostGIS
PostGIS是PostgreSQL数据库的一个 扩展，提供了丰富的空间数据类型和 函数，支持空间数据的存储、查询和 分析。
05
空间数据库的应用案例
城市规划与管理中的空间数据库应用
城市规划方案评估
空间数据库可以存储城市规划方案的相关数据，通过数据 分析和可视化技术，对规划方案进行评估和优化，提高规 划的科学性和合理性。
城市设施管理
利用空间数据库管理城市设施，如道路、桥梁、公园等， 实现设施的信息化、可视化及智能化管理，提高设施的使 用效率和安全性。
遥感图像处理与分析
利用空间数据库进行遥感图像的处理和分析，提取有用的地理信息， 为城市规划、资源调查等领域提供数据支持。
遥感监测与预警
通过空间数据库整合遥感监测数据，实现环境污染、气象灾害等方面 的预警和监测，提高应对自然灾害和环境问题的能力。
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数据库系统的基本概念
数据模型
数据模型是描述数据、数据关系 和数据操作的抽象表示，常见的 数据模型有层次模型、网状模型 和关系模型。
空间数据库
一、建库设计步骤1、需求分析黄土地区公路高边坡防护决策支持系统，是按照决策支持系统的概念结构，以ArcGIS为基础开发平台开发出来的专业型应用空间决策支持系统。
它提供了在黄土地区进行公路高边坡防护决策时的空间信息化解决方案。
整个系统由数据管理、库管理、数据显示管理、查询与检索、科学计算、结果输出等几大部分组成。
1.1 系统功能——结合黄土地区地质、环境特点以及高速公路边坡工程实际情况，依托GIS系统强大的空间分析能力和图像功能，以研究区域的地形、地貌、水文、地质等的空间图形数据和工程属性数据为计算分析基础，依据边坡类型及设计原理，建立正确可靠的数学模型，进行科学的边坡稳定性评价及防护设计决策。
本系统应具备如下功能：（1）空间数据的管理（2）模型计算与分析（3）边坡防护决策（4）分析结果输出1.2 数据源分析——公路边坡防护涉及的内容多，信息量大，且来源广泛，可称为多源数据。
研究地段的地形图：（1）航摄像片（2）遥感像片（3）地质填图等图片或图形资料（4）边坡稳定性评价的参数（5）以文字形式存在的各种调查统计资料（如区域性地质条件、地质构造、气候特征、降水量、地下水状况、植被、交通状况等）（6）公路的平面、纵断面、横断面设计及施工竣工资料（包括线路线型、里程、坐标、边坡及支挡结构物等）数据管理（7）总的来说，这些信息的基本形式包括3种，即图形（如地形图）、图像（如遥感像片）和文字数据信息。
1.3 平台及数据模型选择——ArcCatalog、Geodatabase、Dotnet2 系统设计2.1概念结构设计2.1.1 实体关系图2.1.2属性分析2.1.3类概括——数据库中的各数据集根据其用途和专业性质逻辑上分为基础地理数据、基础专题数据、公路专题数据和边坡专题数据四大类。
每类又包括若干个要素数据集，每个要素数据集又包含若干要素类。
（1）基础地理要素类：该类中包括了主要的基础地理信息要素，如水系、居民点、铁路、行政区划等。
空间数据库导论讲
一种基于四叉树的索引技术，用于对栅格数据进 行索引。
3
kd-tree索引
一种基于二叉树的索引技术，用于对高维数据进 行索引，适用于高维空间数据查询。
03
空间数据库管理系统
空间数据库管理系统的功能
数据存储
能够高效地存储和管理空间数 据，包括矢量数据、栅格数据
等。
数据检索
支持基于空间位置、属性、时 间等条件的快速查询和检索。
城市规划
城市规划需要大量的地理信息和空间 数据支持，空间数据库可以提供高效 的数据存储和处理能力。
交通管理
交通管理需要处理大量的地理信息和 车辆位置数据，空间数据库可以用于 存储、查询和分析这些数据。
空间数据库的发展历程
早期发展
早期的空间数据库主要基于文件系统进行存储和管理，随 着技术的发展和应用的深入，逐渐形成了专业的空间数据 库管理系统。
数据处理和分析
提供强大的空间数据处理和分 析功能，如空间分析、地图可 视化等。
数据更新和维护
支持数据的实时更新和维护， 保证数据的准确性和完整性。
主流的空间数据库管理系统
PostGIS
基于PostgreSQL的开源空间数据库管理系 统，功能强大且灵活。
Oracle Spatial
Oracle数据库的一个组件，提供全面的空间 数据管理和分析功能。
拓扑结构
用于表示空间实体之间的几何关系，如点、线、面之 间的相交、包含等关系。
几何结构
用于表示空间实体的几何特征，如长度、宽度、高度 等。
逻辑结构
用于表示空间数据的组织方式和存储方式，如空间数 据的分层、分类等。
空间索引技术
1 2
R树索引
空间数据库总结
空间数据库总结第一篇：空间数据库总结第一章：1.简述空间数据的结构特点及用传统商用关系数据库管理空间数据的局限性：答：1.结构特点：（1）从数据组织和管理角度看，空间数据与一般的事务数据相比具有非结构化特征（2）相对于一般的事务数据而言，空间数据量大（3）用以描述事物或现象随时间的变化2.局限性：（1）表示某种空间对象实体记录的空间字段难于预先确定（2）空间信息有坐标系统（3）关系数据原有的功能不能满足地理空间应用要求2.空间数据管理的演化过程答：1.人工管理阶段（20世纪50年代中期）特点：（1）数据不保存（2）没有数据管理软件（3）数据冗余2.文件系统阶段（20世纪60年代中期）特点：（1）数据文件是大量数据的集合形式（2）面向用户的数据文件（3）数据文件与对应的程序具有一定的独立性（4）由初期的顺序文件发展为索引文件、链接文件、直接文件等3.文件与数据库系统混合管理系统（20世纪80年代初期）特点：（1）对用户观点的数据进行严格细致的描述（2）允许用户以记录或数据项作单位进行访问（3）数据的物理存储可以很复杂，同样的物理数据可以导出多个不同的逻辑文件4.全关系型空间数据库管理系统（20世纪80年代后期）；5.对象关系数据库管理系统；6.面向对象的数据库系统3..空间数据库的研究内容：答：1.地理空间数据的获取与处理：（1）空间数据库的准确性研究；（2）空间数据质量研究；2.地理空间数据组织（1）空间数据的多种表达方式研究；（2）时空关系的研究；（3）海量空间数据库的结构体系研究3.地理空间数据库系统：（1）空间关系语言研究（2）分布处理和Client/Server模式4.地理空间数据共享的研究4.松散双元空间数据管理的结构及其弊端文件与数据库系统混合管理系统（20世纪80年代初期）特点：（1）对用户观点的数据进行严格细致的描述（2）允许用户以记录或数据项作单位进行访问（3）数据的物理存储可以很复杂，同样的物理数据可以导出多个不同的逻辑文件答：第二章：1.基于实体空间对象描述的基本特点：答：基于对象的模型强调个体现象，对象之间的空间位置关系通过所谓拓扑关系进行连接，主要描述不连续的地理现象，适合表示有固定形状的空间实体2.基于场模型地理空间描述适应的地理变量的分布特点：答：分布特点：在一定空间内连续分布。
空间数据库原理
物理存储介质
指计算机制存储器和内存储器。前者存储数据，后者 存储操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲 区，用于数据处理,以减少内外存交换次数，提高数据存取 效率。
数据库软件
其核心是数据库管理系统（DBMS）。主要任务是对 数据库进行管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操 作和维护等功能，接受并完成用户程序和终端命令对数据 库的请求，负责数据库的安全。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（5）数据模型
空 间 数 据 库 原 理 》 相关概念
实体（Entity） 属性（Attribute） 码（Key） 域（Domain） 实体型（Entity Type） 实体集（Entity set） 联系（Relation）
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
层次模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
2、层次模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
是将数据组织成有向有序的树结构； 反映了现实世界中实体之间的层次关系。
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； 导致数据冗余。
（6）数据库管理系统
空 间 数 据 库 原 理 》 数据库管理系统(DBMS)是处理数据库数据 存取和各种管理控制的软件。它是数据库 的核心，应用程序对数据库的操作全部通 过DBMS进行。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
数据库管理系统的功能
空 间 数 据 库 原 理 》
数据库定义功能
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮现实世界到数字世界的转换现实世界到数字世界的转换武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库系统的组成数据库系统的组成dbms武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库的主要特征数据库的主要特征数据集中控制数据独立与应用程序独立物理和逻辑独立数据共享多用户事务处理并发等操作减少数据冗余数据结构化统一的数据保护功能权限控制一致性控制并发控制武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库的系统结构数据库的系统结构应用程序2应用程序1应用程序3应用程序n外模式1外模式2外模式n概念模式内模式数据库外模式与概念模式的映射概念模式与内模式的映射逻辑独立性物理独立性物理结构全局逻辑结构局部逻辑结构武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库的系统结构数据库的系统结构外模式亦称子模式是数据库用户的数据视图
空间数据管理：空间数据库
空间数据库的发展和应用推动了地理信息产业的快速发展，为智慧城 市、环境保护、资源调查等领域提供了重要的技术支撑。
空间数据库的应用领域
智慧城市
空间数据库在智慧城市建设 中发挥着重要作用，支持城 市规划、交通管理、公共安 全等方面的应用。
环境保护
资源调查
空间数据库可用于环境监测、 生态保护、灾害预警等领域， 为环境保护提供科学依据。
数据管理层
负责数据的逻辑存储，包括数据表、索引、视图等数 据结构。
应用层
负责提供数据访问接口，包括查询语言、应用程序接 口等。
空间数据库的存储方式
分布式存储
将数据分散存储在多个节点上，以提高数据存储的可靠性和可扩 展性。
列式存储
按照列进行数据存储，有利于数据的压缩和快速查询。
图式存储
将数据以图的方式进行存储，适用于具有复杂关系的数据。
3
人工智能还可以实现空间数据的预测和优化，为 决策提供更加精准的依据。
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特点
空间数据库具有空间索引、空间关系和空间分析等特性，能够高效地处理和查 询空间数据，支持地理信息系统（GIS）的应用。
空间数据库的重要性
数据整合与共享
空间数据库能够整合不同来源和格式的空间数据，实现数据的共享 和交换，提高数据利用率。
决策支持
空间数据库能够提供强大的空间分析功能，支持各种地理信息应用， 为政府、企业和学术界的决策提供有力支持。
空间数据库的性能优化
01
索引优化
合理使用索引，提高数据检索速度。
缓存技术
利用缓存技术减少对数据库的频繁 访问，提高系统响应速度。
03
02
查询优化
空间数据库概述
28
图层：
指一定空间范围内具有相同属性要素的一组同 类地理空间实体。需要注意的是，GIS中图层概 念并不是地理空间实体的简单堆砌，而是在某 种特殊应用领域下空间实体的组合，并且相互 之间有着密切的联系。
间数据库性能的瓶颈，而现有的关
系数据库查询优化技术不能完全适
用于空间数据，所以查询优化技术
的研究势必成为空间数据库应用的
难点和突破点 。
34
例如：将查询分两步进行：即初次过滤和二次筛选
空间 数据库
初次过 滤
不准确 的候选 集合
二次筛 选
最终查 询结果
35
2 5
1 3
2 4
6
1 3
2 7
1
36
五、索引
第一章 空间数据库概述
第一章 空间数据库概述
第一节 空间数据库概念 第二节 空间数据库的研究内容
2
一、为什么要研究空间数据库
数据库（DataBase，简称DB）：
存放数据的仓库。 长期存储在计算机内的、有组织的、可
共享的数据集合。
3
一、为什么要研究空间数据库
数据库管理系统（DataBase Management System，简称 DBMS）：
述的二进制块的管理高得多。 但是仍然没有解决对象的嵌套问题，空间数
据结构也不能由用户任意定义，使用上仍然 受到一定限制。
18
GIS厂商开发的空间数据管理模块 ESRI : ARCSDE MapInfo: Spatialware
空间数据库简单介绍
对空间数据进行压缩，以减少存 储空间占用和提高数据传输效率 。
数据索引
R树索引
一种用于空间数据库的索引结构 ，通过将空间对象按照一定规则 组织成树形结构，提高空间查询 和范围查询的效率。
Quadtree索引
一种用于栅格数据的索引结构， 通过将栅格区域按照一定规则组 织成四叉树结构，提高栅格数据 的查询和检索效率。
大规模数据处理和高性能计算的需求。
与大数据技术的融合
02
大数据技术可以提供高效的数据处理和分析能力，与空间数据
库结合可以实现更复杂的数据分析和挖掘。
与人工智能的融合
03
人工智能技术可以提供智能化的数据处理和决策支持，与空间
数据库结合可以实现更加智能化的空间信息应用。
空间数据库的未来展望
更加广泛的应用领域
提供数据更新和维护的功能，保证空间数据的实时性和准确性。
数据转换与共享
支持多种数据格式的转换和数据共享，方便与其他系统进行数据交互。
主流的空间数据库管理系统
PostGIS
基于PostgreSQL的扩展，提供强大的地理 信息系统功能。
Spatialite
轻量级的关系型空间数据库管理系统。
Oracle Spatial
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实时数据处理
随着物联网、遥感等技术的普及，空间数据库将 需要处理大量的实时数据，因此需要提高数据处 理的速度和实时性。
数据安全与隐私保护
随着数据安全和隐私保护问题的日益突出，空间 数据库将加强数据加密、访问控制等安全措施， 以确保数据的安全和隐私。
空间数据库与其他技术的融合
与云计算的融合
01
云计算提供了弹性的计算和存储资源，可以满足空间数据库对
《空间数据库》PPT课件_OK
2021/8/21
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性一体化存储
• 空间数据、属性数据及空间索引都存储在一个表中
2021/8/21
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用RDBMS管理空间数据
2021/8/21
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p的数据组织
• 根据不同的需求，以及数据的不同特点，选择合适 • 不同的数据集具有不同的数据结构。
2021/8/21
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各种类型的数据集
2021/8/21
GIS数据库的特征（2）
2021/8/21
16
标准DBMS存储空间数据的局限性
2021/8/21
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GIS中空间数据库的组织形式
• 混合结构模型 • 扩展结构模型 • 统一数据模型
2021/8/21
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属性数据存储在常规RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；
空间数据存储在空间数据管理系统中，功能较弱，特别是在数据的安 全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。
– 2、记录：由若干相关联的数据项组成。
– 3、文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体 值的集合。
– 4、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 的多种类型的记录的集合。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。
GIS数据库的特征（1）
• 空间特征：是空间数据最主要的特征，它描述空间物体的位置、形 • 抽象特征：空间数据描述的是真实世界所具有的综合特征，非常复 • 空间关系特征：空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，空 • 多尺度与多态性：不同观察尺度具有不同的比例尺和精度，同一地
2021/8/21
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地理信息系统空间数据库
地理空间是一个三维空间，有四个基本实体
线实体
体实体 地理空间实体（客体）
地理空间的认知
点实体
面实体
第一节 空间数据库概述
第一节 空间数据库概述
② 地理空间实体间的联系
空间联系
属性联系
时间联系
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
例如：从数据库中提取弧段arc1的坐标并显示
DRAW coordinates WHERE arcs=‘arc1’
通用选择法不依赖于客体在树状结构中的顺序，而是根据所确定的选择条件，在结构中选择某特定的客体。
通用选择法
第二节 传统的数据模型
在现实世界中客体的联系更多的是非层次关系的，用层次模型表示非树形结构是很不直接的，网络模型可以克服这一弊病。 在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为网状模型：
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。
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。
叶结点
在右图的例子中， R1根结点， R2和R3为兄弟结点，是R1的子女结点； R4和R5为兄弟结点，是R2的子女结点； R3 ， R4 ， R4 ，是叶结点。
第二节 传统的数据模型
Coverage记录
polygons记录
arcs记录
nodes记录
coordinates记录
多边形层次数据结构
空间数据库的设计与实现
空间数据库的设计与实现第一章概述空间数据库是一种集成了空间数据的数据库，它能够存储与处理空间数据类型的信息。
空间数据通常包括地理位置、空间几何形状以及空间相关事件等。
在现实应用中，空间数据库广泛应用于地理信息系统（GIS）、市政管理、森林防火及灾害预警等领域。
空间数据库的设计与实现具有一定的难度与挑战性，需要具备扎实的计算机科学和地理空间知识以及扎实的算法与数据结构功底。
第二章空间数据库的设计2.1 空间数据库的架构空间数据库的架构分为两层：一为基础数据库层，主要负责存储与查询非空间数据；二为空间数据库层，主要负责存储与查询空间数据。
空间数据库采用了基础数据库的物理结构和管理方式，同时引入一系列专有的算法与数据结构来管理空间数据的存储与查询。
2.2 空间数据模型空间数据模型是空间数据库中最核心的部分，它用于描述空间数据的特征、属性以及关联关系等。
由于空间数据本身是具有特殊性质的复杂类型数据，因此需要专门的数据模型来描述。
在实际应用中，较为广泛使用的是二维欧几里得空间和二维网格空间模型。
2.3 空间数据索引空间数据索引是空间数据库的关键所在，它为空间数据的快速检索提供了便利。
空间数据索引主要包括基于网格的索引和基于R树的索引等。
基于网格的索引通常被用于较小规模的空间数据的存储与查询，而基于R树的索引则被广泛应用于大规模环境下的空间数据管理与查询。
第三章空间数据库的实现3.1 空间数据的建模空间数据的建模是空间数据库实现中最关键的环节之一。
在建模过程中需要采用一些具有创意性的方法，例如利用地图和空照图等渲染出地图，利用GPS等传感器采集数据建模，或者利用光学与遥感技术进行数据采集。
3.2 空间数据查询和分析空间数据查询与分析是空间数据库实现过程中最常见的任务之一。
空间数据查询通常分为基于空间相似性的查询和基于特定查询语言的查询。
而空间数据分析则具有更多的挑战性，需要利用统计学、模拟以及数据挖掘等工具来实现。
兰州大学地信概论复习内容
地理信息系统概论复习内容第一章：地理信息系统概论数字地球：1998年美国副总统戈尔提出“数字地球”概念，即一种可以嵌入海量数据、多分辨率和三维的地球。
数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一处理地球问题和最大限度地利用信息资源。
虚拟现实GIS：一种最有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，主要通过虚拟建模语言（virtual reality model language, VRML）把GIS数据转换到VR中，为人们提供一个逼真的模拟环境。
地理信息科学：关于围绕地理信息系统技术的应用, 防碍其成功实施, 或在其潜在能力的理解中出现的一般性问题的研究。
1、说明GIS在几个不同发展阶段的标志性技术是什么，它们的出现如何促进GIS 的发展？答：（1）60年代GIS处于起步阶段： 1963年，R.F.Tomlinson首次提出GIS 这一术语,并建立了世界上第一个地埋信息系统——CGIS，用于处理大量土地调查资料；稍后，哈佛大学计算机图形学与空间分析实验室研制出SYMAP系统，这是一个通用的地图制图软件包，但竭力发展空间分析模型及开发相应的软件；1968年国际地理联合会(IGU)成立了地理数据收集和处理委员会，对促进地理信息系统的发展起了很大作用。
60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）人们关注什么是GIS，GIS能干什么。
（2）70年代GIS处于巩固发展阶段：由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，不同规模、不同专题和不同类型的地理信息系统在发达国家纷纷研制成功，如美国森林调查局--美国林业资源信息显示系统。
1976年，美国喷气推动实验室--影像信息系统IBIS。
1978年，ERDAS成立。
GIS的功能并没有得到很大发展，数据库的规模还比较小。
这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。
（3）80年代GIS普及和推广：在发达国家，如加拿大、日本、英国开始将地理信息系统用于国土规划，支持资源和环境管理决策，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。
《空间数据库》范围及重点
《空间数据库》范围及重点1.第一章：绪论1)空间数据库基本概念、组成部分、名称简写之间的联系与区别与联系；答；利用当代的系统方法，在地理学、地图学原理的指导下，对地理空间进行科学的认识与抽象，将地理数据库化为计算机处理时所需的形式与结构，形成综合性的信息系统技术——空间数据库或者SDBMS是海量SD的存储场所、提供SD处理与更新、交换与共享，实现空间分析与决策的综合系统。
组成：存储系统、管理系统、应用系统是SDBS的简称2)目前空间数据库实现方案；答：ORDBMS3)GIS，RS与空间数据库之间的联系；4)常见的空间数据库产品答：轻量级：MS的Access、FoxPro、SUN的MySQL中等：MS的SQL Server系列重量级：Oracle的Oracle不太熟悉的有：Sybase、Informix、DB2 、Ingress、PostgreSQL（PG）等5)产生空间数据库的原因；答：直接利用？SD特征：空间特性非结构化特征空间关系特征多尺度与多态性海量数据特性存在的问题：复杂图形功能：空间对象复杂的空间关系数据变长记录6）空间数据库与普通关系数据库的主要区别。
答：关系数据库管理属性数据，空间数据采用文件库或图库形式；增加大二进制数据类型(BLOB)，解决变长数据存储问题；将空间数据/属性数据全部存放在数据库中；但空间特性由程序处理2.第二章：空间数据库模型1)如何理解空间数据库模型；2)空间数据及空间关系；… (1) 空间数据类型几何图形数据影像数据属性数据地形数据元数据：对空间数据进行推理、分析和总结得到的关于数据的数据，数据来源、数据权属、数据产生的时间数据精度、数据分辨率、元数据比例尺地理空间参考基准、数据转换方法…(2) 空间关系指地理空间实体之间相互作用的关系：拓扑关系：形状、大小随投影改变。
在拓扑变换下不变的拓扑变量，如相邻、包含、相交等，反映空间连续变化的不变性方位关系：地理空间上的排列顺序，如前后、上下、左右和东、南、西、北等方位度量关系：距离远近等3)空间数据库如何建模；DB设计三步骤‹ Conceptual Data Model：与应用有关的可用信息组织、数据类型、联系及约束、不考虑细节、E-R模型Logic Data Model 层次、网状、关系，都归为关系，SQL的关系代数(relational algebra, RA) Physical Data Model：解决应用在计算机中具体实现的各种细节，计算机存储、数据结构等4)模型之间如何转换？5)可行的空间数据库建模方案。
空间数据库设计
结点坐标
a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8
N1 N2 N4 N1 N1 N3 N3 N2
N2 N4 N5 N5 N3 N5 N4 N3
0 0 0 P1 P2 P3 P4 P4
P2 P4 P3 0 P1 P1 P3 P2
Xn1,Yn1 Xn2,Yn2 Xn2,Yn2 Xn4,Yn4 .. … … …. … ….
a a b e b e
c d a b
a
---1 0 0 1 1
b
c
0 1 ---1 0 1
d
0 0
e
1 1 0 1 ----
---1 0 1
---1
c
d c 不同结点之间的拓扑关系
d
e
9
不同多边形之间的拓扑关系
a a b c --1 0
b 1 --1
c 0 1 ---
d 1 1 1
d
1
1
1
---
a
3
第四节 土地信息的数据结构
空间数据的拓扑关系 矢量数据结构 栅格数据结构
4
一、空间数据的拓扑关系
• 拓扑的基本概念
• 空间数据的拓扑关系 • 拓扑关系的关联表达
5
1、拓扑的基本概念
空间目标的描述可用两种不同的几何术语来表示： • 在几何形态方面，常用解析几何方法，主要涉 及目标的坐标、角度、方向、距离、周长和面 积等 • 在空间关系方面，采用拓扑几何来描述，主要 涉及目标与周围其他地物 “相连”、“相邻”、 “包含“等
a5 a8 a7 a7 a6
19
(2) 半隐式表示。分析表4-8到4-1可知:从表4-9可以推导出表4-10; 同样, 从表 中4-10推导出表4-9, 而且, 这种推导相当简单; 同时, 从表4-8和表4-9也可推 导出表4-11, 但这种推导关系比较复杂。基于上述原因, 为了简化拓扑关联表达 , 又便于使用, 常常选择表4-a表4-9和表4-10中的一个以及表4一11来表达矢量 数据结构中不同元素的拓扑关联性。在此基础上, 还可以进一步把表进行合并, 形成如表4-12所示的半隐式表示。 Arc/Info 中弧段数据结构 ARCID 起结点 终结点
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第2二章.2空间概数据念库设计结构-review
什么是概念结构设计
《 空
需求分析阶段描述的用户应用需求是现实世
间 数
界的具体需求
据 库
将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构
原
即概念模型的过程就是概念结构设计
理
》 概念结构是各种数据模型的共同基础，它比
数据模型更独立于机器、更抽象，从而更加稳
定。
概念结构设计是整个数据库设计的关键
第2二章.2空间概数据念库设计结构（续）
概念结构设计的特点
《
空
间 （1）能真实、充分地反映现实世界，包括事物
数
据
和事物之间的联系，能满足用户对数据的处理
库
原
要求。是对现实世界的一个真实模型。
理
》
（2）易于理解，从而可以用它和不熟悉计算机
的用户交换意见，用户的积极参与是数据库的
设计成功的关键。
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细节。有关存储、索引和内存管理等问题都在这一 阶段考虑和解决。
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第二章 空间数据库设计
一．概念数据建模－ER模型
对于概念数据建模来说，有许多可用的设计
《 空
工具，ER模型是其中最为流行的工具之一。
第二章 空间数据库设计
2.2.1 ER模型
1．实体和属性
《 空
在ER模型中，微型世界被划分成一个个实体
间 数 据
（entity），由属性（attribute）来描述实体性 质，并通过联系互相关联。实体是物理上或
库 原
者 概 念 上 独 立 存 在 的 事 物 或 对 象 。 在 State-
理 》
n学
生 专业
职称
班级
ER模型图例
实体 联系 属性
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第二章 空间数据库设计
2.2实例
《 空 间 数 据 库 原 理 》
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第5步物理设计
硬件和 OS特征
物理数据库结构
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第二章 空间数据库设计
2.1 数据库设计的三个步骤
数据库应用通过三个设计步骤来进行建模。
《 空 间
首先，采用高层次的概念数据模型（conceptual data model）来组织所有与应用相关的可用信息。实体-
2.2.1 ER模型
《 实体由属性来刻画性质。例
空 间 数
如 ， name 是 实 体 FOREST 的属性。唯一标识实体实例
据
的属性（或属性集）称为码
库 原
（ key ） 。 在 我 们 的 例 子 中 ，
理
假定任意两条道路均不能同
》
名 的 话 ， 实 体 ROAD 的
name属性 就是一个 码 。本
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第2二章.2空间概数据念库设计结构（续）
概念结构设计的特点(续)
《
空 间
（3）易于更改，当应用环境和应用要求改变时，
数 据
容易对概念模型修改和扩充。
库
原
理 （4）易于向关系、网状、层次等各种数据模型
空间数据库
The Spatial Database System
第二章 空间数据库设计
武汉理工大学资源与环境工程学院
第二章 空间数据库设计
软件生存期
数据库生存期
《
规划
空
间
数 据
需求分析
库
原
理
系统设计
》
程序编制
调试
运行维护
规划 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计
实现 运行和维护
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例中数据库的所有ROAD实
例都有唯一的名称。尽管这
不是概念设计的问题，但
DBMS中必须有一个机制来
保证这种约束。
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第二章 空间数据库设计
2.2概念结构（续）
《
物理结构设计
空
间
数
据
库
原 理
逻辑结构设计
》
概念结构设计
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需求分析
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Park 例 子 中 ， Forest 、 RIVER 、 FORESTSTAND ROAD以及FIRE-STATION都是实体。
DBMS中必须有一个机制来保证这种约束。
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第二章 空间数据库设计
》
转换。
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第2二章.2空间概数据念库设计结构（续）
描述概念模型的工具
《
空 间
E-R模型
数
据
ER模型的基本元素
库 原
实体
理 》
联系
属性
职号 例子
学号
姓名 老 m
性别 师
姓名
教
2
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第二章 空间数据库设计
总体信息需求
第1步规划
处理需求 DBMS特征
《 空
第2步需求分析
间
数
需求说明书
据
库 原
第3步概念设计
理
数据库设 计的输入
》
信息结构
输出
（独立于硬件、软件）
第4步逻辑设计
逻辑数据库结构（DBMS能处理的） 应用程序说明书
数 据
联系（entity relationship, ER）模型是所有概念设计
库 工具中最为流行的一种。
原
理 》
第二步，也称为逻辑建模阶段，与概念数据模型在 商用DBMS上的具体实现有关。实现模型的例子有：
层次模型、网状模型和关系模型。其中关系模型是
目前商用数据库实现的最为广泛的模型之一。
最后，数据库设计的第三个步骤是物理设计的建模， 它解决数据库应用在计算机中具体实现时方方面面
间 数
ER模型同关系模型无缝地整合在一设计阶段的第二
原 理
步中最流行的逻辑模型之一。我们在这里使
》 用ER模型对State-Park例子进行建模。
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