空间数据库论文

空间数据库概述

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉，430079

摘要：空间数据库是地理信息系统的核心，每一次空间数据库技术的变革都带来地理信息系统软件的革命。本文是一片综述性文章，首先阐述了空间数据库的概念、内容、特征，然后介绍了空间数据管理的发展过程，其中对象—关系数据库是目前空间数据的主要管理模式，最后探讨了空间数据库的前沿发展。

关键词：空间数据库；对象-关系数据库；空间数据库模型

1空间数据库概念

空间数据库是地理信息系统的核心，它具有通用数据库的基本内涵，

是指以特定的数据结构（如国土、规划、环境、交通等）和数据模型（如

关系模型、面向对象模型等）表达、

存储和管理从地理空间中获取的某类

空间信息，满足不同用户对空间信息

需求的数据库[1]。

2空间数据库内容

由于地理空间数据分为两种类型，一种是具有几何特征和离散特点的地理要素，即空间对象数据，如点、线、面、体等对象；另一种是指在一定空间范围内连续变化的地理对象，即场对象数据，如某一地理空间的数字高程模型、不规则三角网、栅格影像数据等，因此以应用性质划分空间数据库，空间数据库可分为基础地理空间数据库和专题数据库。基础地理空间数据库包括矢量地形要素数据（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字栅格地图（DRG）以及元数据库[2]。

（1）矢量地形要素数据库：矢量核心地形要素数据库是存储在计算机中的各种数字地形数据及其数据管理软件的集合。矢量核心地形要素数据库包含有居民地、水系、测量控制点等内容。它既包括以矢量结构描述的带有拓扑关系的空间信息，又包括以关系结构描述的属性信息。

（2）数字高程模型数据库：数字高程模型是定义在X、Y 域离散点（规则或不规则）的以高程信息表达地面起伏形态的数据集合。数字高程模型数据库是计算机存储的数字高程模型数据及其管理软件的集合。数字高程模型数据库可以用于和高程信息有关的地表形态分析、坡度分析、通视分

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析、洪水淹没分析等方面。

（3）数字正射影像数据库：数字正射影像数据库是具有正射投影的数字影像的数据集合。数字正射影像提供丰富和直观的信息，具有良好的可判读性和可测量性。数字正射影像数据库可以结合数字地形数据库中的信息或其他相关信息作为各种形式的数字或模拟正射影像图。

（4）数字栅格地图：数据栅格地图数据库是数字栅格地图及其管理软件的集合。数字栅格地图对现有纸质地图通过计算机处理后的栅格数据文件。纸质地形图通过扫描并进行几何纠正、内容更新和数据压缩处理可生成数字栅格地图。数字栅格地图保存模拟地形图的全部内容和几何精度，生产快捷，成本较低。

（5）元数据库：元数据库是描述数据库中各数字文件的元数据构成的数据库。元数据库包括系统各数据库及数字文件的基本信息、空间数据信息、坐标系统信息、数据质量信息、分层要素信息、发布信息和元数据参考信息等。

（6）专题数据：专题数据包括一些土地利用专数据、规划管理数据、农业数据、水利数据等。它们的形式可以是矢量形式或栅格形式，所以可

采用矢量数据结构或栅格数据结构进行存储和管理[3]。

3空间数据库特征

空间数据不仅具有普通对象的属性特征，还具有与位置相关的空间特征。所以，地理空间数据库与一般数据库相比，具有以下特征[1]：

（1）空间特征。空间特征是空间数据最主要的特征，它描述了空间物体的位置、形态、空间拓扑关系等。

这就要求GIS除了具备通用数据库管理系统或文件系统的关键字索引和辅助关键字索引外，还需建立空间索引机制。

（2）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，空间数据中也记录了拓扑数据结构表达的多种空间关系。这种拓扑数据结构一方面方便了空间数据的查询和空间分析，另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了难度。

（3）多尺度与多态性。不同观察尺度具有不同的比例尺和精度，同一地物在不同情况下会有形态差异,这

就要求空间数据库具备有效的多尺度空间数据组织与管理功能，这也是一般关系型数据库所不具备的。

（4）非结构化特征。在一般关系型数据库管理系统中，数据记录通常

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是结构化的。即它满足关系数据模型的第一范式要求，每条记录是定长的，数据项表达的只能是原始数据，不允许嵌套记录。而空间数据则不能满足这种结构化要求，这也是为什么空间图形数据难以直接采用通用的关系型数据管理系统的原因之一。

（5）分类编码特征。一般而言，为了唯一识别地理实体和共享空间数据，每一个空间对象都有一个分类编码，而这种分类编码往往属于国家标准，或行业标准，或地区标准。通过分类编码将空间数据和属性数据关联起来。

（6）海量数据特征。空间数据量是巨大的，通常称为海量数据，所以通常需要在二维空间上划分为块和图幅、在垂直方向上划分为层来进行管理。

4空间数据管理发展过程

4.1人工管理阶段

在20世纪50年代中期，计算机主要用于科技计算，不需要将数据长期保存，需要时人工输入数据。

4.2文件管理阶段

在20世纪60年代中期，文件管理方式是将所有的数据都存放于一个或多个文件中，包括结构化的属性数据。采用文件管理数据的优点是灵活，即

每个软件厂商可以任意定义自己的文件格式，管理各种数据，这一点在存储需要加密的数据以及非结构化的、不定长的结合体坐标记录时是有帮助的。文件管理的缺点也是显而易见的：每个文件都是为特定的用途设计的，同样数据在多个文件中重复存储，造成数据冗余较大；程序和数据间的独立性较差，应用程序依赖于文件的存储结构，修改文件存储结构就要修改程序；对数据的表示和处理能力较差，文件结构和操作比较单一；数据不一致，更新时会造成同一数据在不同文件中的不一致；数据联系弱，文件与文件之间是独立的，文件之间的联系必须通过程序来构造[4]。

4.3文件与数据库系统混合管理

阶段

文件和关系数据库混合系统中，图形用数据文件存储，属性用关系数据库表存储，两者通过标识符相连接。

混合结构管理模式的优点是：GIS可通过DBMS提供的高级编程语言的接口直接操纵属性数据，查询属性数据，并在GIS的用户界面下显示查询结果；

在ODBC推出后，GIS软件商只需要开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接，这样用户可以在一个界

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