空间数据库原理
武汉大学空间数据库复习资料整理
《空间数据库原理》第一章数据库1、空间数据库：①提供结构用于存储和分析空间数据②空间数据由多维空间的对象组成③在标准数据库中存储空间数据需要大量的空间，从一个标准数据库中检索查询空间数据需要很多时间并且很累赘，通常导致很多错误。
2、DBMS:（数据的操作系统）一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。
SDBMS：增加了处理空间数据功能的DBMS。
①在它的数据模型中提供空间数据类型和查询语言②至少在执行时支持提供空间数据类型：空间索引；空间链接有效的算法。
在地理信息系统中为什么要研究专门的空间数据库系统？1.空间数据库能提供结构存储和空间数据分析2.空间数据库包含多面空间的对象3.在标准数据库中存储空间数据会需要过多的空间4.标准数据库的查询反馈和空间数据分析会消耗过多时减并且留下大量错误空间5.空间数据库能提供更多有效率的存储和空间数据分析3、哈希（Hash）函数：一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
质数除余法（直接取余法）：f(x):=x mod maxM ;maxM一般是不太接近2^t的一个质数。
乘法取整法：f(x):=trunc((x/maxX)*maxlongit) mod maxM，主要用于实数。
平方取中法：f(x):=(x*x div 1000 ) mod 1000000);平方后取中间的，每位包含信息比较多。
第二章数据库基本原理1、数据模型Data Model：关于数据基础或对象以及他们之间的关系的抽象描述被表示在一个数据库中。
3、概念数据模型：也称语义模型，关于实体和实体间联系的抽象概念集，用统一的语言描述、综合、集成的用户视图。
2、数据字典：是指对数据库的内容包括数据项和属性码定义，是元数据的重要组成部分。
（是指对数据的数据项、数据结构、数据流、数据存储、处理逻辑、外部实体等进行定义和描述，其目的是对数据流程图中的各个元素做出详细的说明。
）Metadata：是描述数据的数据，主要是描述数据属性的信息，用来支持如指示存储位置、历史数据、资源查找、文件记录等功能。
空间数据库
1. 空间数据库定义：空间数据库是存放空间数据的数据库，更确切的说，空间数据库是描述空间物体的位置数据元素（点、线、面、体）之间的拓扑关系及描述这些物体的属性数据的数据库。
2. 空间数据库的特点：1.空间数据库管理的是现实世界中相关性大的连续数据，要求进行综合管理。
2.空间数据库中描述的实体类型多，关系复杂，使数据模型复杂。
3.空间数据库存储的空间数据具有非结构化特征，不满足关系数据模型的范式要求。
3. 基于OR-DBMS、OODBMS的SDBMS1.一个SDBMS是一个软件模块，它利用一个底层数据库管理系统（如OR-DBMS/ OODBMS）。
2.SDBMS支持多种空间数据模型，相应的空间抽象数据类型（ADT）以及一种能够调用这些ADT的查询语言。
3.SDBMS支持空间索引，高效的空间操作算法以及用于查询优化的特定领域规则。
4. 矢量数据交换格式（NSDTF-VCT）《矢量数据交换格式》的组成：《文件头》《要素类型参数》《属性数据结构》《几何图形数据》《注记》《属性数据》5. ArcView的Shapefile文件格式shapefile是ArcView的原生数据格式属于简单要素，用点、线、多边形存储要素的形状却不能存储拓扑关系，具有简单快捷显示的优点。
在shapefile中的信息可分成两种类型，一种与数据有关，如，主文件的记录信息。
主文件文件头有关数据描述的字段（特征类型、围矩等），另一种与数据的组织管理有关，如文件盒记录的长度，记录的偏移等。
这些信息是以文件的方式进行存储的，每个shapefile至少由固定的3个文件组成：主文件（.shp文件）、索引文件（.shx文件)、dbase表文件（.dhp)，其中主文件和索引文件为二进制文件，dbase为数据库文件。
6. 空间数据库引擎（SDE）的特点：1.空间数据库引擎采用RDBMS高级组织和管理海量空间数据，具有大型RDBMS管理数据的许多优点，通过空间数据引擎，能访问RDBMS中的空间数据和GIS软件的传统数据格式文件，还能实现传统格式文件盒RDBMS中空间数据的相互转换，并能很好的平衡服务器和客户端的网络负担。
空间数据库设计
空间数据库设计随着现代科技的不断进步，空间数据库设计已成为地理信息系统（GIS）和相关领域中一个至关重要的环节。
空间数据库主要负责存储和管理地理空间数据，包括但不限于地形、地貌、建筑物、道路等地理信息。
本文将探讨空间数据库设计的重要性及其在实现数据高效存储和管理方面的关键作用。
一、空间数据库设计概述空间数据库设计是针对空间数据的存储和管理进行规划和构建的过程。
它需要对空间数据的特性和关系进行深入理解，并运用相关的数据库技术来实现数据的有效组织和存储。
空间数据库设计需要考虑数据模型的建立、数据结构的优化、数据存储的方式以及数据访问的控制等问题。
二、空间数据库设计的重要性1、提高数据存储效率空间数据库设计通过对数据模型的优化和数据结构的调整，可以提高数据的存储效率。
这不仅可以减少存储空间的需求，还可以降低数据的维护成本。
2、增强数据管理能力通过合理的空间数据库设计，可以实现对空间数据的有效管理，包括数据的查询、更新、删除等操作。
这有助于提高数据处理效率，并保证数据的一致性和完整性。
3、促进数据共享与应用良好的空间数据库设计可以促进数据的共享与应用。
通过数据模型和数据结构的规范化，可以实现不同系统之间的数据共享和交互，从而扩大数据的应用范围。
三、空间数据库设计的关键环节1、数据模型的选择与优化在空间数据库设计中，选择适合的数据模型是至关重要的。
常见的空间数据模型有层次模型、网络模型、关系模型等，选择哪种模型取决于具体的应用需求和数据特点。
还需要根据实际需求对数据模型进行优化，以提高数据处理效率。
2、数据结构的规划与调整数据结构是空间数据库设计的核心部分，它决定了数据的组织方式和访问方式。
在规划数据结构时，需要考虑数据的完整性、一致性、并发控制等因素，以确保数据的安全性和可靠性。
同时，还需要根据实际应用需求对数据结构进行调整和优化，以满足不同场景下的数据处理需求。
3、数据存储策略的制定与实施制定合理的数据存储策略可以有效提高空间数据库的性能。
地理空间数据库原理课件要点.docx
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、管理和应用的相关联的数据集合。
空间数据库是存取、管理空间信息的数据库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。
空间数据库的内容:矢量地形要素数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库、数字栅格地图数据库、元数据库、专题数据库空间数据管理演变过程：人工管理阶段（50年代中期以前）、文件系统阶段（50年代后期一60 年代中期）、文件与数据库管理阶段（20世纪70年代初）、全关系型空间数据库管理系统（20 世纪70年代后期）、对象关系数据库管理系统、面向对象的数据库管理系统地理空间数据库主要研究内容：空间数据模型、地理空间数据的获取与处理、地理空间数据组织、空间数据库管理系统、地理空间数据共享研究空间实体一一指具有确定的位置和形态特征并具有地理意义的地理空间物体。
（河流、道路、城市、航线等）空间实体：地理信息系统中不可再分的最小单元现象称为空间实体•属性是空间实体已定义的特征（如人口数量、林地上林木名称等）空间实体：是指现实世界中地理实体的最小抽象单位，主要包括点、线和面三种类型•空间检索的目的是对给定的空间坐标,能够以尽快的速度搜索到坐标范围内的空间对象，进而对空间对象进行拓扑关系的分析处理空间对象模型特征：1 •图斑模型将一个地理空间划分成一些简单的连通域，每个区域用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。
根据表示地理现象的不同，可以对应不同类型的属性函数。
2、等值线模型等值线的特点：（1）用一组等值线将地理空间划分成一些区域，每个区域中的属性值的变化是相邻的两条等值线的连续插值；（2）每条线唯一值；（3）两条等值线不相交；3、选样模型地理空间上的属性值是通过釆集有限个点的属性值来确定的。
场的特征⑴空间结构特征和属性域2）连续的、可微的、离散的3）与方向无关的和与方向有关的（各向同性和各向异性）4）空间自相关矢量数据结构的几何数据表达优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。
空间数据库引擎概述
２、 Ｏｒ ａ ｃ ｌ ｅ Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ 一三、 工 作 原 理
客 户 端 发 出请 求 由 客 户 端 Ａ Ｐ Ｉ函数 进 行 处 理 ， 通过 应用服务 器将请求转换 为标 准 Ｓ Ｑ Ｌ语句 ， 间接 使用 Ｓ Ｑ Ｌ引擎 执行搜 索 ， 最 后通过服务器端的 Ａ Ｐ Ｉ 建立 与 Ｒ Ｄ Ｂ ＭＳ的通 信 ， 将 满足要 求 的结 果 由Ｓ Ｄ Ｅ返 回给 客 户 端 。或 者 不 通 过 Ａ ｒ ｃ Ｓ Ｄ Ｅ应 用 服 务 器 直 接 访 问空间数 据库 。由 客户 端 直接 把 请 求转 换 成 Ｓ ＱＬ命 令 发 送 给 Ｒ ＤＢ ＭＳ ， 然后将数据返回客户端 。
空 问数 据 库 引擎概 述
路 军
（ 天津师范大学城 市与环境科 学学院
【 摘 要】 由于空 间数 据 管理 的复 杂， 通 过 空 间数据 库 引 擎 实现 海量 多 源数据 的共 享和 互操 作 。本 文介 绍 了引擎 的 功能 、 体 系以及 典 型空 间 数 据库 引 擎如 何进 行选取 。 【 关键词 】 空间数据 库 引擎 ； 三层 结构 ； Ａ ｒ ｃ Ｓ Ｄ Ｅ ； Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ
四、 基 本 功 能
Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ 提供了基于 Ｓ ＱＬ语句及包 、 函数 、 过程 等函数与过 程 ， 存储管理和高效访问空间数据 。１ ０ ｇ提 供 矢 量 数 据 、 栅格数据 、 拓 扑数据和网络数据多种模 型。包括几方面 ： （ １ ） 用来 描述 空间数据 存储 、 语法 、 语义的模式 ， 即 ＭＤ Ｓ Ｙ Ｓ 。（ ２ ） 空间索引机制 ， 包括 Ｒ树 索 引及其 函数 。（ ３ ） 提供管 理工 具 ， 将 空 间和属 性数据 一体 化存 储， 降低 了系统管理 的复杂度 。可 以在 Ｄ Ｂ ＭＳ中存储矢 量数据与 栅格数据 ， 为用户提供空问支持 。（ ４ ） 提供 空间分析操作 符和 函数 集 。Ｅ ２ ３ Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ 矢量数据通过 元数 据表 、 Ｓ Ｄ Ｏ Ｇ Ｅ ＯＭＥ Ｔ Ｒ Ｙ和 空 间 索 引管理 ， 提供 空间查 询和分析 函数， 让用户深 层应 用开发 。［ ２ ］ 栅 格 数 据 模 型 逻 辑 分 图层 或 物 理 分 波 段 ， 用 栅 格 表 和 栅 格 数 据 表 组 织 。栅格表 Ｓ Ｄ Ｏ Ｇ Ｅ Ｏ Ｒ Ａ Ｓ Ｔ Ｅ Ｒ存 储影像 属性 和元数据 信息 。栅 格数据表 的 Ｓ Ｄ Ｏ Ｒ ＡＳ Ｔ Ｅ Ｒ利用 Ｂ Ｌ ＯＢ类 型来 存储影像 的像 素数 据。
空间数据库
全 关 系 式 数 据 库 管 理 方 案
属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快 属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象 嵌套等复杂的空间操作 GIS软件：System9，Small World、Geovision等
)
空间数据库的优势
统一的数据格式标准 查询功能和效率强大 海量空间数据存储 并发控制机制 安全机制 空间操作
空间数据管理是以给定的内部数据结构或空间图形实 体的数据结构为基础，通过合理的组织管理，力求有 效地实现系统的应用需求。假如说内部数据结构是寻 求一种 描述地理实体的有效的数据表示方法，那么空 间数据管理就是根据应用要求建立实体的数据结构和 实体之间的关系，并把它们合理的组织起来，以便于 应用。显然， 数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）应该是解决这 一问题的主要途径。但是，由于地理信息系统具有空 间信息的特性，而目前通用的DBMS系统（如 FoxPro,MS SQL Server,ORACLE等）并不支持空间 信息的管理，所以，DBMS系统在GIS中并未得到全 面的采用。
空间数据库：
地理空间数据库原理复习
地理空间数据库基础复习题为方便复习先整理标注的题目，有误请指出整理者超哥第一章2.地图数据的获取手段有哪些？a)地图的数字化b)传感器技术c)航空和航天平台技术d)现代遥感技术e)全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）3.地图数据使用的坐标体系有哪几种？我国常用：a)北京1954坐标系b)西安1980坐标系c)WGS84坐标系GIS软件环境中关于GIS数据的坐标是如何实现的？GIS利用关系型数据库管理系统的功能把图形的坐标数据当作一个二进制块，交由关系数据库管理系统存储和管理。
4.根据地理实体数字描述方式，空间数据可分为哪两种形式？a)空间对象数据具有几何特征和离散特点的地理要素，如点对象、线对象、面对象、体对象b)场对象数据在一定范围内连续变化的地理对象，如覆盖某一地理空间的格网数字高程模型，不规则三角网，栅格影像数据等。
5.什么是空间数据非结构化特征？空间数据不像一般事务数据一样每一个记录都有相同的结构与长度，因为空间数据包含了拓扑信息，在方便空间数据分析与查询的同时增大了信息管理的难度。
6.空间数据管理演变有哪些过程，说明各过程的特点a)人工管理阶段（20世纪50年代中期）特点：数据不保存；没有数据管理软件；数据冗余b)文件系统阶段（20世纪60年代中期）特点：数据文件是大量数据集合形式；面向用户；数据文件与对应程序有一定独立性；数据文件由顺序文件发展为索引文件、链接文件、直接文件等。
c)文件与数据库系统混合管理阶段（20世纪70年代中期）特点：对用户观点的数据进行更严格描述；允许用户以记录或数据项作单位进行访问；数据的物理存储可以很复杂。
d)全关系型空间数据库管理系统（20世纪70年代后期）特点：不仅可以读写定长的属性数据，而且可以读写非结构化的图形数据，但由于二进制文件的读写效率低，速度慢，效率低。
e)对象关系数据库管理系统特点：能直接管理和存储非结构化的空间数据，效率有所提升，但仍有很大限制。
空间数据库
空间数据库模型
•基于纯关系数据库的管理方式
•第一种方式：
•关系数据模型组织
•GIS软件商在标准DBMS顶层开发一 个能容纳、管理空间数据的系统功 能
GIS应用 开发与维护 扩展DBMS以容纳 空间数据
GIS开发人员
空间数据库模型
•基于纯关系数据库的管理方式
•第一种方式：
E
多边形编号 P1 P1 P1 P1 边号 a b c d 边长
返回
空间数据库的概念
•空间数据库系统 空间数据库、空间数据库管 理系统以及其它们的软、硬件 系统的总称。
空间数据库模型
•传统数据库模型 数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的 数据逻辑结构 数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库 建立的逻辑模型 层次模型 网络模型
N
边号 起结点号 1 2 终结点号 7 1
P1
P2
a b …
C
结点号 1 2 … x .. … y … …
空间数据库模型
•基于纯关系数据库的管理方式
•第二种方式：
•将图形数据的变长部分处理成 Binary Block字段 •由GIS开发人员完成
GIS应用 开发与维护 关系数据库
GIS开发人员
空间数据库模型
•对象数据模型的含义
•
地理信息系统原理
聂俊堂 昆明冶金高等专科学校测绘学院
第四讲 空间数据库模型
1. 空间数据库的概念 2. 空间数据库模型
空间数据库的概念
•空间数据库 是地理信息系统在计算机物理存储 介质上存储和应用的相关地理空间数 据的总合 空间数据、属性数据以及时间数据 •空间数据库系统 空间数据库、空间数据库管理系统 以及其它们的软、硬件系统的总称。
数据库原理及应用教程(MySQL版)-实验素材及答案
数据库原理及应用教程（MySQL版）- 实验素材及答案第一章数据库的基本概念实验素材•数据库系统是由数据库和数据库管理系统（DBMS）组成的，数据库是用于存储和管理数据的集合，而DBMS是用于管理数据库的软件。
•数据是描述事物的符号记录，可以是数字、文字、图像等形式。
•数据库的特点包括永久存储、面向用户的数据抽象、数据的共享与并发控制等。
•数据库的应用领域非常广泛，包括企业管理、电子商务、金融服务等。
实验答案1.数据库系统是由数据库和数据库管理系统组成的。
数据库是用于存储和管理数据的集合，而数据库管理系统是用于管理数据库的软件。
2.数据是描述事物的符号记录，可以是数字、文字、图像等形式。
3.数据库的特点包括永久存储、面向用户的数据抽象、数据的共享与并发控制等。
4.数据库的应用领域非常广泛，包括企业管理、电子商务、金融服务等。
第二章数据库的逻辑结构实验素材•数据库的逻辑结构包括三层模式，分别是外模式、概念模式和内模式。
•外模式是用户对数据库的视图，它描述了用户所需要的数据的逻辑结构。
•概念模式是全局的逻辑结构描述，它描述了整个数据库的逻辑结构，是数据库设计的产物。
•内模式是数据库在存储介质上的存储结构，它是数据库管理系统的内部表示，对用户不可见。
实验答案5.数据库的逻辑结构包括三层模式，分别是外模式、概念模式和内模式。
6.外模式是用户对数据库的视图，它描述了用户所需要的数据的逻辑结构。
7.概念模式是全局的逻辑结构描述，它描述了整个数据库的逻辑结构，是数据库设计的产物。
8.内模式是数据库在存储介质上的存储结构，它是数据库管理系统的内部表示，对用户不可见。
第三章数据库的物理结构实验素材•数据库的物理结构指的是数据在存储介质上的存储方式，包括存储单位、磁盘存储和索引结构等。
•存储单位是数据库管理系统分配存储空间的最小单元，通常是一个数据块。
•数据库的物理结构设计是为了提高数据库的访问效率，如磁盘存储可以减少磁盘I/O操作，索引结构可以加快数据的查找速度。
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。
THANKS
感谢观看
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
空间数据库原理实验报告1
主要内容索引：一、实验名称二、实验目的三、实验内容四、实验注意事项五、实验数据描述六、实验步骤七、实验结果八、实验中出现的问题一、实验名称关系数据库创建二、实验目的*掌握并学会相对熟练使用SQL sever基础操作*复习关系数据库中数据的定义、更新和查询相关功能三、实验注意事项1、注意插入数据时数据字段的数据类型和长度，避免截断2、删除数据或修改数据时看是否有外键关联四、实验内容以奥斯卡提名的奖项和演员为数据库实体和联系，创建关系数据库，并导入数据，并构造相关数据查询解决相关问题。
五、实验数据描述1. 1936-2014年奥斯卡提名和获奖数据已以三个txt格式文档提供，它们是：categories、people、nominations。
2.2014年至今的奥斯卡提名和获奖数据可在豆瓣上查看，其网址为https:///awards/Oscar/nominees六、实验步骤步骤一：创建名为Oscar的数据库①右击“数据库”→新建数据库→令数据库名称为OSCAR②或通过CREATE DATEBASE语句创建步骤二：创建奖项关系、演员关系、提名关系奥斯卡提名数据库的实体和联系如上所示，基于上图创建categories、people和nominations关系。
提名关系的关系模式为(id, year, catId, personId, title, characterName, won)。
其中，每一行对应着演员people(id)的一项归类于categories(id)的提名。
id为提名表的主键；won是一个bit型变量，其值为'1'当且仅当该项提名最终通过；否则为'0'；characterName是演员在电影(title)中饰演的角色名。
奖项关系只包含4类奖项："Best Actor", "Best Actress", " Best Supporting Actor", " Best Supporting Actress" ，即最佳男主角、最佳女主角、最佳男配角、最佳女配角。
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
空间数据库概述
要素的空间尺度
•如果要改变不同比例尺下要素的尺度，可以建立一个与另一种要 素级别相关联的数据库。 •在上例中，树与森林的关系表相关联。当绘制一幅地图时，比例 尺决定了要绘制哪一组要素。
树要素类
ID
1 2 3 4 5
森林要素类
stand＃
1 1 2 2 3
geometry
ID
1 2 3
geometry
要素的数据集(feature dataset)
•多边形要素
用来表达区域如省、市、县、人口普查地域、销 售领域、土壤单位、土地块、土地利用区等。
多边形包围的区域是满足用户设定的用于表 达相同特性的现象的区域。
要素的类型
要素分别扮演三种不同的角色：
•
• •
简单要素 (Sample Feature) ：与其它要素没有明显的联系或拓 扑关系
栅格数据集用作要素属性
并不是所有的栅格数据集都具有地理坐标。影像也可以用作要素的 属性。
美国国防部 五角大楼
遭到恐怖分子袭击后
初步恢复（2002-6-3）
影像用作要素属性的例子： 扫描的文档，如许可证、契约。 与位置相关联的野外资料表。 楼面布局的设计蓝图或示意性图。
曲面数据模型(2.5维)
Line Line Polygon Point DEM Image
举例：司机 最近加油站在哪里？
定位司机位置 加油站分布 方圆1公里 计算最短路径
空间数据查询
空间数据库的一个主要功能就是能够进行空间数据库的查
询。 复杂的空间数据查询功能大致可以分为3类： ①针对空间关系的查询，例如：查询一条公路途经的所有城 镇。
空间索引的类型
•范围索引
空间索引的类型
地理空间数据库原理2
二、层次模型
1）邻接法（树遍历法） 按照层次树前序穿越的顺序，把所有记录值依次邻接存放，
即通过物理空间的位置相邻来体现（或隐含）层次顺序。
数据检索首先搜索双亲结点，然后搜索其子女结点。
A1
B1
B2
B3
A1 B1 C9 C2 C13 B2 C14 B3 C5 C16
邻接法
C9 C2 C13 C14 C5 C16
三、网络模型
3、网络模型的物理实现
1）简单网状结构 的物理实现 （1）邻接加指针
用物理邻接表示 A-C联系；
用指针表示B-C联 系
三、网络模型
1）简单网状结构的物理实现 （1）邻接加指针（续）
三、网络模型
1）简单网状结构的物理实现 （2）顺序文件加指针 将A、B、C三种记录都 用顺序文件组织；其 间联系用指针。
(2) 逻辑模型和物理模型
逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面 向对象模型等，按计算机系统的观点对数据建模，用于 DBMS实现。 物理模型是对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部 的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和 存取方法。
空间数据库的设计过程
空间数据库的设计过程就是将地理空间实体 按一定的组织形式，在数据库系统中加以表 达的过程。
2）表结构法
C9
B1
B2
B3
C2 C13 C14
C5
C16
IBM公司IMS系统
的层次序列法表示 层太多。
A1
二、层次模型
3）目录法
C9
B1
B2
B3
C2 C13 C14
C5
C16
将指针组成一个
目录文件，表示 层次数据模型中 多个记录间的联 系。 优点：查找快， 增删方便。
地理空间数据库原理期末考试题总卷
《地理空间数据库原理》课程期末考试卷一、选择题（每题3分，共10题）1、下列不适合直接采用关系型数据库对空间数据进行管理说法错误的是（A）A。
传统数据库管理的是连续的相关性较小的数字或字符，而空间数据是连续的，并且有很强的空间相关性；B。
传统数据库管理的实体类型较少，并且实体类型间关系简单固定，而GIS数据库的实体类型繁多，实体间存在着复杂的空间关系;C。
传统数据库存储的数据通常为等长记录的数据，而空间数据的目标坐标长度不定，具有变长记录,并且数据项可能很多，很复杂；D.传统数据库只查询和操作数字和文字信息，而空间数据库需要大量的空间数据操作和查询。
2. 下列关于的空间数据库管理方式经历的阶段及其各自特点说法错误的是（C）A. 文件关系数据库混合管理阶段，用一组文件形式来存储地理空间数据及其拓扑关系，利用通用关系数据库存储属性数据，通过唯一的标识符来建立它们之间的连接。
B。
全关系式数据库管理阶段，基于关系模型方式，将图形数据按关系模型组织。
图形数据和属性数据统一存储在通用关系数据库中，即将图形文件转成关系存放在目前大部分关系型数据库提供的二进制块中。
C.面向对象数据库管理阶段,面向对象型空间数据库管理系统最适合空间数据的表达和管理.持变长记录，还支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。
支持SQL 语言，有一定的通用性。
允许定义合适的数据结构和数据操作.D.对象关系数据库管理阶段，解决了空间数据的变长记录管理，使数据管理效率大大提高；空间和属性之间联结有空间数据管理模块解决,不仅具有操作关系数据的函数，还具有操作图形的API函数；3。
对下述图形进行链式编码,编码结果为（D)A. 1,4，5,4，6,6，5，5，5,4，4,4B.1,4,5,5，5,6,6，6,6，4,4,4C.1，4，5,4,5,6,6，6,6,5，4，4D.1,4，5，4，5,6,6,6，6，4,4，44。
使用游程编码对下述编码压缩后的结果为(B）WWWWWWWWWWWWBWWWWWWWWWWWWBBBWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWBWWWWWWWWWWWWWWA.12W1B11W3B24W1B14WB.12W1B12W3B24W1B14WC.12W1B12W3B24W1B13WD。
空间分析原理与方法
1、空间分析：基于地理对像的位置和形态特征的空间数据分析技术，目的在于提取和传输空间信息。
2、尺度：广义尺度是实体、模式化过程在空间化时间上的基准尺寸，从研究和被研究对象的角度来看，尺度是指研究某一现象或事件时所采用的空间或时间单位，或某一现象或过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率3、缓冲区分析：缓冲区分析是对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形，然后将这一图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠加分析，得到所需结果的一种空间分析方法4、网络数据模型：是现实世界网络系统的抽象表示5、地理空间数据立方体：是一个面向对象的、集成的、以时间为变量的、持续采集空间与非空间数据的多维数据集合，组织和汇总成一个由一组唯度和度量值定义的多维结构，用以支持地理空间数据挖掘技术和决策支持过程6、地理网格：地理网格系统是一种以平面子集的规则分级刨分为基础的空间数据结构，具有较高的标准化程度，有利于开发面向空间数据库和几何操作的更有效算法7、尺度变换：信息在不同尺度范围之间的转换称尺度变换，是将某一尺度上所获得的信息和知识扩展到其他尺度上，实现跨越不同尺度的辨识、推断、预测或推绎，包括尺度上推和尺度下推8、泰森多边形：将所有气象站连成三角形，作三角形各边的垂直平分线，每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形，用这个多边形内所包含的一个气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，该多边形就称为泰森多边形9、空间统计分析：是以具有地理空间信息特性的事物或现象的空间相互作用及变化规划为研究对象，以具有空间分布特点的区域化变量理论为基础的一门新学科。
10、网格gis：网格gis是gis与网格技术的有机结合，是gis在网格环境下的一种应用，它将具有地理分布和系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等资源，通过高速互联网连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境11、地理空间分类：是根据已知的分类模型把数据库中的数据映射到给定类别中，进行数据趋势预测分析的方法。
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2、层次模型
空 间 数 据 库 原 理 》
层次模型是一种树结构模型，它把数据接自然的 层次关系组织起来，以反映数据之间隶属关系。 层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较 成熟的一种数据模型。 特点是地理数据组织成有向有序的树结构，也叫 树形结构。结构中的结点代表数据记录，连线描 述位于不同结点数据间的从属关系(一对多的关 系）。 由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点 的称为根结点；其余结点有且仅有一个双亲结点。
用数据库的数据描述语言DDL来定义概念模式、外模 式和内模式； 具体为：数据库逻辑结构、数据项、记录类型、记录 之间关系、安全控制等。
数据库管理功能
对数据的更新、存取功能
数据库维护功能
改善系统性能 受损后的复原 用户管理 拓宽数据库的用户要求
通讯功能（接口）
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第四章 空间数据库
空 间 数 据 库 原 理 建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展 人们的记忆，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。 空间数据库是一种专门化的数据库，因为 这类数据库具有明显的空间特征。 空间数据库的理论与方法是地理信息系统 的核心问题。
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（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）
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4、关系模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
结构简单灵活； 容易维护和理解；
数据修改方便 数据更新方便
有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图 形数据。
缺点
效率不高； 难以表达目标，尤其是复杂目标。
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传统模型的比较实例
空 间 数 据 库 原 理 》
（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。
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数据库管理系统的功能
空 间 数 据 库 原 理 》
数据库定义功能
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空间数据特征—空间性
空 间 数 据 库 原 理 》 空间数据最主要的特性。 最主要 空间数据描述了空间物体的位置、形态， 甚至需要描述物体的空间拓扑关系。
例如：描述一条河流，一般数据侧重于河流的 流域面积，水流量，枯水期等。而空间数据则 侧重于河流的位置、长度、发源地等和空间位 置有关的信息。复杂一点的还要处理河流与流 域内城市间的距离、方位等空间关系。
空间性是空间数据区别于其他数据的标志 特征。 特征
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空间数据特征—抽象性
空 间 数 据 库 原 理 》 空间数据描述的是现实世界中的地物和地 貌特征，非常的复杂，必须经过抽象处理。 抽象处理 不同主题的空间数据库，人们所关心的内 容也有差别。 空间数据的抽象性包括人为地取舍数据。 人为地取舍数据 抽象性使数据产生多语义问题。 多语义问题
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层次模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
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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。
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（4）数据库的系统结构
空 间 数 据 库 原 理 》 概念模式
也称模式，是数据库的总框架，是数据库中 关于目标存储的逻辑结构和特性、基本 操作和目 标与目标及目标与操作的关系和依赖性的描述， 以及对数据的安全性、完整性等方面的定义。
内模式
也称存储模式，是对数据库的物理存储器上 具体实现的描述。它规定在存储介质上的物理组 织方式、记录寻址技术，定义物理存储块的大小、 溢出处理方法等。
（4）数据库的系统结构
空 间 数 据 库 原 理 》
局部 逻辑 结构 应用程序1 应用程序2 应用程序3 应用程序n
外模式1
外模式2
外模式n 全局 逻辑 结构
外模式与概念模式的映射
概念模式
逻辑独立性 物理 结构
内模式
概念模式与内模式的映射
数据库
物理独立性
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最典型的例子有：就形态而言，任何城市在地 理空间中都占据一定范围的区域，因此可以认 为其是面状地物，但在比例尺比较小的空间数 据库中，城市是作为点状地物来处理的。
Multi-Scale、Multiple Representation
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空间数据特征—多时空性
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二、空间数据库模型
空 间 数 据 库 原 理 》
1、空间数据特征 2、空间数据库模型
混合数据库模型（Hybrid Model） 扩展结构模型（Extent Model） 统一数据模型（Integrated Model） 面向对象模型（Object-Oriented Model） 时空数据模型（Spatial-Temporal Model）
完备性
数据的不完备往往导致分析结果的不完善，甚至会造成决策失 误。
详细性 综合性
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1、空间数据特征
空 间 数 据 库 原 理 》 空间数据除了具有一般数据的特征之外， 还具有一些区别于其他数据的特性。构成 空间数据的特征主要有：
空间性 抽象性 多尺度与多态性 多时空性
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1、空间数据特征
一般数据的特征
空 间 数 据 库 原 理 》
选择性
数据从某一（些）侧面描述事物本身。
可靠性
有很多原因影响数据的可靠性，比如数据在获取，存储，管 理，传播过程中会出现差错，导致数据的失真。必须保证数据 的可靠性。
时间性
事物是动态的，发展的，数据只能反映事物在某个时间态下的 状态。
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（5）数据模型
空 间 数 据 库 原 理 》 数据库的核心问题是模型问题。 数据模型是数据库中对数据逻辑组织形式 的描述。 数据模型是对现实世界部分现象的抽象， 描述了数据的基本结构及其相互之间的关 系和在数据上的各种操作。 数据模型的三要素：数据结构、数据操作、 数据约束条件。
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。
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关系模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
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关系模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
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关系模型实例
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
人工管理阶段 文件系统阶段 数据库阶段
数据库发展原因：由于文件系统存在着文件之间 无联系、数据不完全独立于程序、只在文件级共 享数据等缺陷。
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（定义： 数据库可以看做是与现实世界有一定相 似性的模型，是认识世界的基础，是集中、 统一存储和管理某个领域信息的系统，它 根据数据间的自然联系而构成，数据较少 冗余，且具有较高的数据独立性，能为多 种应用服务。
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3、网络模型
空 间 数 据 库 原 理 》 将数据组织成有向图结构，图中的结点代 表数据纪录，连线表示不同结点之间的关 系。 其特征是：结点之间没有明确的从属关 系，一个结点可与其他多个结点建立联系 （可以是多对多的关系）。
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网络模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
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3、网络模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
可以描述现实世界中极为常见的多对多关系；
缺点
结构的复杂性限制了它在空间数据库的使用；
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4、关系模型
空 间 数 据 库 原 理 》 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 意行数，在数学上称为“关系”。二维表是同 关系 类实体的各种属性的集合，每个实体对应 于表中的一行，在关系中称为元组，相当 元组 于通常的一个记录；表中的列表示属性， 称为域，相当于通常记录中的数据项（字 段）。满足一定条件的规范化关系的集 合，就构成了关系模型。 使用SQL语言对其进行操作。