第四章 地理信息系统空间数据库

语义是指数据本身具有的表达数据属性 及其关系的能力。
一、语义数据模型
概念：是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述客 体的基本语义特性，在根据语义模型规则把这些抽象 有机地组织起来。如实体联系模型（E-R模型）： 实体：是对客观存在的一种抽象。
联系：是客体间有意义的相互作用或对应关系。
属性：是对实体和联系特征的描述
1、时间片快照模型
是用一系列状态对应的地理数据来反映地理现象的时空 演化过程。
2、底图叠加模型
类似于地理底图的修订方式而得名，基本思路是首先确 定空间数据的初始状态，然后按照适宜的时间间隔纪录 数据随时间发生的变化，再通过空间叠加操作，利用纪 录的变化数据来恢复各个时间片的状态数据，每一次叠 加表示状态的一次变化。
（3）类：对一组对象的抽象描述，它将该组对象所具 有的共同特征集中起来，以说明该组对象的能力和性 质。实例是类的一个具体对象。
Hale Waihona Puke Baidu
（二）继承及类之间的层次关系
（1）继承：是现实世界中对象之间的一种独特 关系，它使得某类对象可以自然地拥有另外一 类对象的某些特征和功能。 继承性有双重作用：
●减少代码的冗余
二、空间数据库引擎的工作原理
（一）SDE的体系结构
（二）SDE的访问模式
（三）SDE支持的空间数据类型：矢量、栅格。
一个空间对象被存储在三个关系表中，如下：
要素表存储坐标数据； 索引表存储空间索引； 属性表存储属性数据； 3个表通过ID联系。
§9 GIS空间时态数据库
一、空间时态数据库概述
（二）空间数据库关系数据模型的逻辑设 计：空间数据库关系模式的构造，就是 点、线、面等空间实体的特征以关系模 式加以表达和组织。可以用关系数据库 的规范化理论进行设计。 ①数据依赖： ②函数依赖： ③范式：
补：层次数据模型
存取：1、树遍历法；2、通用选择法。
优点：结构清晰、易理解； 缺点：冗余度大，不适于表示数据的拓扑关系。
步骤：1、导出初始关系模式
2、规范化处理
3、模式评价 4、优化模式 5、形成数据库的逻辑设计说明书 一个具体的ORM图：见书P129图4-19.
§4 空间数据库的物理设计
一、空间数据库的物理设计概念 是从一个满足用户信息需求的、已确定的逻辑数据库 出发，研制出一个有效的、可实现的物理数据库结构 （存储结构或物理模型）的过程。
§6 空间数据库索引
索引：是数据库的一种数据快速查找的机制，通 常是由关键字和存储地址组成。关键字标识数据记 录，地址表示记录在数据库中的存储位置。索引就 是一张关键字与地址的对照表。
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，查询 时以最大和最小坐标进行判断。
（四）概括和聚集
（1）概括：是把一组具有相同特征和操作的对象类 归纳在一个更一般的超类中。
（2）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，是用来描述更高层次对象的一 种形式。
（五）空间数据库对象模型
运用上述面向对象的概念和方法，就 可以建立起地理信息系统中空间数据 库的对象数据模型。
二、格网空间索引：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。
三、四叉树空间索引：按前述方法进 行四叉树划分空间，并建立其Morton 码与空间实体的对应关系，然后按上 述格网空间索引方法进行索引。
§7 空间元数据
空间元数据（metadata）：是指在空间 数据库中用于描述空间数据的内容、质量、 表示方法、空间参考和管理方式等特征的 数据，是实现地理空间信息共享的核心标 准之一。
（一）关系数据模型的一些基本概念：
1、关系：一个二维表，行对应一个元组，列对 应一个域；每一列取个名字，称为属性。 2、关键字：某一唯一标识一个元组的属性组， 主关键字对应的是主属性；
3、关系模式：关系的描述，包括关系名、属性 名、属性向域的映射（属性的类型、长度等）；
4、关系数据库：一系列关系的集合。有型、值 之分，型是对数据库的描述，值是关系的集合； 5、关系完整性：关系的正确性、相容性和有效 性。包括：实体完整性、参照完整性、用户定义 的完整性。
补：网状数据模型
存取：通过指针导航存取。
优点：大大压缩数据量，便于表达复杂的拓扑关系； 缺点：指针的存在，增加了数据量，同时修改数据时 指针也在变化 。
二、逻辑模型设计
目的是从概念模型导出特定的数据库管理系统可以 处理的数据库的逻辑结构（数据库的模式和外模式）。 这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束及数据 库可扩充性等方面均应满足用户需求。
第四章
地理信息系统空间数据库
§1 空间数据库概述
一、空间数据库的概念：为GIS提供空间数据的存 储和管理方法。 空间数据库存储系统：以特定结构的文件存储 于介质上的地理空间数据的总和。 空
间 数 据 库 系 统
空间数据库管理系统：能对空间数据进行定义、 查询、检索、维护和更新的一套 软件系统。 （ 功 能 扩 展 式 如 Oracle ， 空 间 数 据 库 引 擎 如 ESRI的SDE） 空间数据库应用系统：空间分析模型和应用模 型所组成的软件。
建立概念数据库的步骤： ①设计局部的E-R模型：见书P117图4-6.
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，实体类型见间联系无冗余。 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
对象与实体一样是客观世界中客体的一种抽象的描述， 它由客体的数据和对数据的操作组合而成。 （一）面向对象数据模型的基本概念 （1）对象：一个对象就是现实世界中一个客体的模型 化，它具有一个唯一的名称标志，并且把自身的状态 和内在的功能封装在一起。
●通过协调性简化对象类相互之间的接口和界 面。
（2）类的层次结构：把被继承的类称为超类或 基类，继承其它类的对象称为子类或派生类，则 超类和子类之间构成了层次结构。
（三）功能重载和多态性
面向对象系统中消息的传递的实现是以重载和多态为 支撑的。
（1）功能重载：意味着实现特定功能的方法不仅以 名称来区分，而且以它所带的参数为区分。 （2）多态：是同一个消息可以根据发送消息对象的 不同采用多种不同的行为方式。
二、 空间数据库的设计
（一）空间数据库设计的过程和步骤 ①需求分析：与系统目的、用户需求相关；
②概念设计：解释用户需求，用概念模型表达，实现 从现实世界到信息世界的抽象。
③逻辑设计：将信息世界的概念模型映射为计算机 世界的数据模型（数据库）； ④物理设计：逻辑模型的存储设备的物理实现。 （二）空间数据库设计的原则和技术方法 设计原则： ①尽量减少空间数据存储的冗余度； ②提供稳定的空间数据数据结构，并能根据用户需 求而迅速改变；
（2）消息：是对象之间相互请求或相互协作的唯一途 径。外界能够引用对象操作及获取对象状态必须通过 消息这一唯一途径，所以对象只依赖于本身状态和所 能接受的消息，与其他对象无关。
消息有公有与私有之分 ：如果一些消息都属于同一个 对象，其中有些是可由其他对象向它发送的为公有消 息。另外一些则是由它自己向自身发送的为私有消息， 外界也不需要去了解它。
③满足用户的访问需求并高效提供查询结果；
④应能反映数据间的复杂联系；
⑤具有较强的应用适用性。
三、空间数据库的实现和维护：
（一）空间数据库的实现：
①建立实际的空间数据库结构；
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。
（二）空间数据库的运行与维护
§2
空间数据库概念模型设计
数据模型是现实世界的规格化的说明。 具体地说，数据库的数据结构、操作集 合和完整性约束规则集合组成了数据库 的数据模型。
（六）ORM图 ORM（Object Role Modeling）：即 对象角色建模，是运用面向对象的原 理进行数据库概念建模的软件工程方 法。（见书P123图4-13）
§3
空间数据库逻辑模型设计
一、关系数据模型:一种数学化的模型，它把数
据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表中的元素， 称为关系，关系的结合构成关系模型。
②针对非空间属性的查询：如查询城市人口数量。 ③结合空间关系和非空间属性的查询：如查询距某 条河流的距离大于500m（空间关系）、种植玉米 （属性），且面积大于800m（既可以是空间也可 以是属性）的土地利用单元。
一、空间关系查询类型：见书P131-133图4-21~4-29。
①点-点查询
②线-点查询
二、空间数据库的物理设计步骤：
1、存储记录的格式设计 2、存储方法设计 3、访问方法设计 4、完整性和安全性考虑
5、应用设计
6、形成物理设计说明书
§5 空间数据查询
数据查询：根据用户的要求， 从数据库中找出符 合用户需求的空间数据子集，提供给用户作进一 步的处理工作 3大类：
①针对空间关系的查询：如查询某条公路途经的所 有城镇。
主要作用：空间数据共享。 元数据标准的主要内容（ISO19115ISO/TC211）
§8 空间数据库引擎
一、空间数据库引擎概述 将GIS的空间数据存储在关系数据库中是当 前主要的空间数据库解决方案，但关系数据 库管理系统（RDBMS）不能直接提供GIS的 空间数据类型的存储功能，而空间数据库引 擎（Spatia Database Engine，SDE）是解决 这个问题的一个间接地技术方法。
③面-点查询 ④点-线查询 ⑤线-线查询 ⑥面-线查询 ⑦点-面查询 ⑧线-面查询 ⑨面-面查询
二、属性数据查询：SQL。 三、空间属性联合查询：同时查询空间和属性。
四、空间查询语言
常规的属性查询用SQL语言；
空间查询采用空间谓词Adjacent（相邻）， Contain（包含），Cross（穿过），Inside（被包 含），Buffer（缓冲区）等，但尚未形成统一的标准。 空间谓词与属性条件组合在一起，就可以进行复 杂的空间查询。
3、时空合成模型 是在底图叠加模型的基础上提出的，其设计思想 是将每一次独立的叠加操作转换为一次性的合成 叠加。
将时间加入地理信息系统，构成一种时空地 理信息系统是地理信息系统的重要组成部分。
时空地理信息系统是一种四维（X，Y，Z，T） 或（S，T）的信息系统，具有时空复合分析功 能和多维信息可视化的系统。 内容：1、空间时态数据的表达 2、空间时态数据的更新 3、空间时态数据的查询
二、 时空一体化数据模型