地理信息系统 第四章

建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS
吉 奥 之 星 中 的 空 间 对 象 模 型
思考与练习

简述GIS的几种主要数据模型，并进行各自优缺点分析。 数据库中的分层数据模型与空间数据库分层组织有何不同？ 简述GIS数据管理方法的发展过程和趋势，并请说明目前 GIS中没有采用标准的数据库管理系统来管理图形数据的主 要原因。
属性数据 （定长记录）
GIS界面
空间数据 （变长记录）
关系表
二进制块
RDBMS
空间 数据库

扩 展 关 系 数 据 库 管 理 方 案

在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查 询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实 施空间索引操作。 解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高 用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑 结构进行存储 GIS软件：TIGER，Geo++、Geo Tropics等
1 2 3 4 5 6
x1 x2 x3 x4 x5 x6
y1 y2 y3 y4 t5 y6
1
d
g 6
线
Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ
关系数据库模型
优点： 结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运 算和数学运算规则形成的查询要求 能搜索、组合和比较不同类型的数据 增加和删除数据非常方便 缺陷： 数据库大时，查找满足特定关系的数 据费时 对空间关系无法满足

面向对象的几何抽象类型
GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、 线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型 可以作为GIS中各种地物类型的超类。
空间地物
点状地物
线状地物
面状地物
复杂地物
电 视 塔
桥 梁
车 站
道 路
水 管
电 力 线
建 筑 物
公 湖 园
点文件i 线文件i 面文件i 图层i 点文件j 图层j
线文件j
面文件j
Shape文件
用户可以不使用特征码而自己设定标识码
X 大类码 X 小类码 XX 一级代码 X 二级代码 X 要素类 型 XXXX 识别位

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
GIS用户界面
高级语言
数据库开发语言
ID 几 何 数 据 属 性 数 据
图形用户界面 属性用户界面
图形处理 图形 文件库
DBMS 属性 数据库
早 期
图形处理
DBMS
GIS用户界面
高级语言
ODBC协议
数 数 据 据 文 库 件
图形 文件库
属性 数据库
图形处理 图形 文件库
DBMS 属性 数据库
不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、 面）,将产生不同的Shape文件，同时对每一个要 素自动产生一个特征码（FeatureID）。
GIS的数据管理方法
GIS应用 软件 GIS应用 软件 GIS应用 软件 GIS应用 软件
管理空间 数据的软件
管理属性 数据的DBMS
扩展DBMS 以容纳空间数据 商业数据库
用户设计 的数据库
空间及 属性数 据文件
空间数据库
属性数据库
空间及属性 数据库
空间及属性 数据库

全 关 系 数 据 库 管 理 方 案
数据库中数据组织方式
数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、 记录、文件和数据库。 1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元 素、基本项、字段等。 2、记录：由若干相关联的数据项组成。 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。
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 52 城资系 系名 教师数 300 学生数 70 研究生 49 257 71 地质系 化学系 教师号 姓名 年龄 职称 系名 教师数 学生数 66 系名谢元礼 教师数 30 学生数教授 研究生
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
学号 课程号 系名 002312 系名 A01 教师数
课程号 课程名 周学时 学分 系名 教师数 学生数 A01系名 GIS 教师数 4 学生数 5 研究生
网络数据库模型
优点： •能明确而方便地表示数据间的复杂关系 •数据冗余小 缺陷： •网状结构的复杂，增加了用户查询和定 位的困难。 •需要存储数据间联系的指针，使得数据 量增大 •数据的修改不方便（指针必须修改）

基本概念
协议：是一个对象对外服务的说明，它告
知一个对象可以为外界。 封装：是将某件实物包围起来，使外界不 必知道其实际内容。 继承：从某类对象得到另一类对象的特征 和能力。如饭店子类从建筑物类继承地址、 建筑日期等属性。引入类的继承，就出现 了类的层次结构，也就有了超类（基类）、 子类（派生类）的概念。
基本概念
概括：是把一组具有相同特征和操作的对象归纳 在一个更一般的超类中。 联合：是相似对象的抽象组合，可看作是更高层 次的集合对象。如西安市是新城区、雁塔区、碑 林区等区的联合。又联合关系的对象叫成员。 聚集：是类似于联合的抽象化概念，不强调整个 对象的具体细节，例如建筑物是墙、窗、门、房 顶和楼板几部分的聚集。 传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强 制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。 例如西安市大学生数量可以由各个大学的学生数 求和派生得到。

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
属性数据 （定长记录）
GIS界面
空间数据 （变长记录）
关系表
二进制块
DBMS
空间 数据库
文 件 关 系 数 据 库 混 合 管 理 方 案

属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效； 几何数据采用图形文件管理，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。 空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。 GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。
数据间的逻辑联系
数据间的逻辑联系主要是 指记录与记录之间的联 系。
A B A B
1、一对一的联系(1：1)
A B
2、一对多的联系(1：N) 3、多对多的联系(M：N)
A
B
A
B
A
B
数据模型
数据模型是数据库系统中关于数据和联 系的逻辑组织的形式表示。
每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示 能力来反映客观事物，有其不同的处理数据 联系的方式。 数据库领域采用的数据模型有层次模型、网 状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关 系模型。
矿 山
大 县 学
面向对象的属性数据模型
GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况 划分类型。如一个大学GIS的对象可分为建 筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物 类型的每一大类又可以进一步分类，如建 筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政 办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务 建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水 管道、污水管道、电信管道、供热管道、 供气管道等，另一方面，几种具有相同属 性和操作的类型可综合成一个超类。
标准DBMS存储空间数据的局限性




空间数据记录是变长的（如点数的可变性）， 而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为 固定 在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严 重缺陷 一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包 含、叠加等基本操作 不能支持复杂的图形功能 单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录， 一般的DBMS也难以支持 难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需 要的复杂的安全维护
面向对象数据库系统的实现方式
面向对象的数据模型从概念上将人们对GIS的理解提高到了一 个新的高度。 一方面，它巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构 的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。另一方面， 面向对象数据模型在表达和处理属性数据时，又具有许多 独特的优越性。 目前，采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主 要有三种实现方式： 扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS 的特性 扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性
基本概念
对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对 数据的操作组合而成。 类：是对多个相似对象共同特性的描述。 消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公 有消息和私有消息。 方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。 实例：是由一特定类描述的具体对象。 元类：是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类 的实例是对象。 对象具有封装性和继承性，涉及到分类（classification）、概括 （generalization）、聚集（aggregation）、联合 （association） 、继承（inheritance）和传播（propagation） 等概念。
优点： 存取方便且速度快 结构清晰，容易理解 数据修改和数据库扩展容易实现 检索关键属性十分方便 缺陷： 结构呆板，缺乏灵活性 同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边） 不适合于拓扑空间数据的组织
网络数据库模型
网络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 。
层次数据库模型
它的特点是将数据 组织成一对多关 系的结构。 层次结构采用关键 字来访问其中每 一层次的每一部 分。 层次数据库结构特 别适用于文献目 录、土壤分类、 部门机构等分级 数据的组织。
1
2 a
b Ⅰ
3
e Ⅱ
M 5 f
c 4
1
d
g 6
M
Ⅰ
Ⅱ
a
b
c
d
Hale Waihona Puke cefg
2
2
3
3
4
4
1
3
4
3
5
5
6
6
4
层次数据库模型
第四章 空间数据库
GIS应用 软件 GIS应用 软件 GIS应用 软件 GIS应用 软件
管理空间 数据的软件
管理属性 数据的DBMS
扩展DBMS 以容纳空间数据
商业数据库
用户设计 的数据库
空间及 属性数 据文件
空间数据库
属性数据库
空间及属性 数据库
空间及属性 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。 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、管理 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 ： 程序管理阶段 、文件管理阶段 、数据库管理 阶段
GIS界面 空间数据处理 RDBMS 扩充实体类型 （点、线、面、圆等）
空间 数据库
面向对象数据库系统
面向对象（object-oriented，oo）的概念起源于程 序设计语言——面向对象的编程语言(简称 OOPL)，强调对象概念的统—，引入对象、对 象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联 编和单继承性机制。它以OOPL为核心，集各 种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配 有很强的图形功能和多窗口用户界面。 基本出发点就是以对象作为最基本的元素，尽可 能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析 和解决问题。
关系数据库模型
关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便 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。
地图 M Ⅰ Ⅱ
2 a
b Ⅰ
3
e Ⅱ
M 5 f
Ⅰ 多边形 Ⅱ
a c
b e
c f
d g
c 4
点
Ⅰ a b c d e f g 1 2 3 4 3 5 6 2 3 4 1 5 6 4