地理空间数据库

ID
几属
何性
图形用户界面 属性用户界面
数数
据据 早 期
图形处理
DBMS
数 据 文 件
数 据 库
图形 文件库
属性 数据库
GIS用户界面
高级语言 数据库开发语言
图形处理
DBMS
图形 文件库
属性 数据库
GIS用户界面
高级语言
图形处理
图形 文件库
ODBC协议
DBMS
属性 数据库
栅格数据的管理
基于文件的影像数据库管理 文件结合数据库影像管理 基于关系数据库管理
对象/关系数据库管理
• 这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据的变长记录的管 理，由于由数据库软件商进行扩展，效率要比前面所述的二进制块 的管理高得多。
• 许多数据库管理系统的软件商纷纷在关系数据库管理系统中进行扩 展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据，如Oracle 和 Informix等都推出了空间数据管理的专用模块，定义了操纵点、线、 面、圆、长方形等空间对象的API函数。用户不能根据GIS要求对其 进行再定义，一般不带拓扑关系。
数据库 存储于检索
观察的现象、 文件与地图
存储于检索
原始数据 数据预处理 结构化数据
展示与交互
制图
查询与分析
图 数据库功能
数据库的应用领域
随着信息时代的发展，数据库也相应产生了一些新的应用领域。主要表现在下面 6个方面。
多媒体数据库
信息检索系统
移动数据库
生活 工作 学习
分布式信息检索
空间数据库
专家决策系统
学号 课程号 系名
00231系2 名 A0教1 师数
课程号 课程名 周学时 学分 系名 教师数 学生数
A01系名 GI教S 师数 4学生数 5研究生
2 网络数据模型
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）
• 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
2 网络数据模型
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 。
学校名称 徐州师大
头指针
ID P 10 20 30 40 52 60 73 85 90 10 9
链指针
实例展示
Access中的数据库建库及连接使用说明
—— 以09地信电话本管理系统为例
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
空间数据索引
空间索引概念
根据空间对象位置和形状或空间对象的某种空间关系，按一 定顺序排列的数据结构，包含空间对象的概要信息，以提高 空间操作的效率
• 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。
数字形式
文字
图形
图像
声音
语言
数据
计算机
数据库技术
保存和管理大量复杂的数据 图 数据库大致组成的结构图
• 但是它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。
• GIS软件：TIGER，Geo++、Geo Tropics等
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
文件 关系数据库混合管理
• 两个子系统分别存储和检索空间数据和属性数据，使用一 种标识符将两者联系起来
性
文件/关系数据库混合管理
OID（目标 图形数据
ID或内部连 接码）
属于数据
图形用户界面 图形处理 图形文件库
图形用户界面 DBMS
属性数据库
在GIS工作工程中，通常需要同时启动图形文件 系统和关系数据系统，甚至两个系统来回切换，使 用起来很不方便。
全关系数据库管理
• 属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理，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 GeoSQL转化为标准SQL查询，借助索引数据的辅助关系 实施空间索引操作。
3 关系数据模型
• 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
4 面向对象模型
• 面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录， 而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。
……
……
关系数据库管理
•基于扩展关系数据库的影像数据管理是将影像数据存储在二 进制变长字段中，然后应用程序通过数据访问接口来访问数 据库中的影像数据，同时影像数据的元数据信息存放在关系 数据库的表中，二者可以进行无缝管理。 •特点：
– 所有数据集中存储，数据安全，易于共享 – 较方便管理多数据源和多时态的数据 – 支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享 – 影像数据和元数据集成到一起，能方便的进行交互式查询 – 对C/S的分布式应用支持较好，网络性能和数据传输速度都有很
• 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
电桥车 视 塔梁站
道水电 力
路管线
建
公
筑湖
物
园
矿大 县
山学
5.1.2 空间数据库
数据
大提高 – 影像数据访问只能通过数据库驱动接口访问，有利于数据的一致
性和完整性控制，数据不会被随意移动、修改和删除 – 支持异构的网络模式，即应用程序和后台数据库服务器可以在不
同操作系统平台下运行
GIS应用 软件
GIS数据管理方法的4种主要类型 ：
GIS应用软 件
GIS应用软件
GIS应用软 件
管理空间 数据的软件
本讲的教学重点与目标
数据库的基本概念 和特点
数据库的功能 和应用领域
地理空间数据库 的原理与方法
地理空间数据库 制作与使用
我们为什么要学 空间数据库？到 底怎么去学呢？ 这就是本节的重 点内容！
5.1 空间数据库概述
5.1.1 数据库基础
数据库概述
• 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。
数据库中数据组织层次
• 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。 – 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。
• 属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、 有效；
• 几何数据存储在空间数据关系系统中，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。
空间数据的组成：从类型上分有栅格数据库和矢量数据库两类，其中栅 格数据包括航空遥感影像数据和DEM数据；矢量数据则包括各种空间实 体数据（图形和属性数据）
空间数据库
空间对象
数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
影
字
像
高
程
模
型
空间对象
空间对象
图 空间数据库组成
举例
传统数据库与空间数据库的比较
数据连续性/相关性 实体类型/空间关系
记录长度 查询与操作
数
数据
存储
据
管理
库
原始信息 数据库
程序库 (数据库软件)
• 主要表现在：用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，在决策过程完 成后再将决策结果存储在空间数据库中。
• 概念 ：某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合 。 • 特点 ：
– 数据量特别大 ; – 既有属性数据，又有空间数据 ; – 数据应用广泛 。
GIS中引入空间索引的必要性
工作区建立 查询、显示 数据提取
常见空间索引方法
对象范围索引 格网索引 四叉树索引 R树和R+树索引
空间索引：对象范围索引
空间对象集合
54 3
1 6
2
Xmax
Ymin
4
Ymax
Xmin
ID Xmax Xmin Ymax Ymin 1 ………… 2 ………… 3 ………… ……………
传统数据库
不连续 相关性小
少 简单固定
结构化 等长
文字、数字
空间数据库
连续 较强空间相关性
多 复杂且不固定
非结构化 不等长 文字数字 空间图形
5.2 空间数据管理
GIS数据库除了一般数据特征外，还具有一些区别 于其他一般数据库的特征，表现在以下七个方面：
海分非多空抽空 量类结尺间象间 数编构度关特特 据码化与系征征 特特特多特 征征征态征
• 目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件 都是采用文件管理方式来管理遥感影像 数据
文
• 缺点：无法应付数据的安全性、并发控 制和数据共享
件
管 理
文件管理形式 的影像数据
方
式
影像数据001
影像数据002
影像数据003
影像数据004
影像数据005
• 影像数据按照文件方式组织管理
文 件
• 在关系数据库中，每个文件都有唯一 的标识号对应影像信息
数据模型
数据模型是数据库系统中实体与实体之 间的联系方式，是衡量数据库能力强弱的主 要形式之一。
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，面向对象模型。
1 层次数据模型
• 它的特点是将数 据组织成一对多 关系的结构。
系名 教师数 学生数 研究生
资旅系系系名名
教师数 学生数 研究生 52教师数 30学0 生数 70研究生
数学系 化学系
49
257
71
学号 姓名 年级 籍贯
系名 00231系2 名
张教三教师师数数
学3学生生数数广东研究生
教师号 姓名 年龄 职称
系名 66 系名
王教一教师师数数
3学0学生生数数教授研究生
-
数 据 库 管 理 方 式
影像数据的文件管理
文件管理形式 的影像数据
影像数据001
影像数据002
影像数据003
影像数据004
影像数据005
影像信息数据库表
影像名称 块号
Image 001 011001
Image 002 011002
Image 003 011003
Image 004 011001
Image 005 011002
3 关系数据模型
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。
点 1 x1 y1 2 x2 y2 3 x3 y3 4 x4 y4 5 x5 t5 6 x6 y6
• 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）
DBMS
关系表
二进制块
空间 数据库
Xmax≥XN OR Xmin≤XS OR
XN
Ymax≥YE OR Ymin≤YW
XN
YW 检索窗口
空间对象不被检索
YE XE≤Xmax，Xmin≤XN AND
YW≤Ymax，Ymin≤YE 空间对象被检索
YW 3
6
YE 2
XS
XS
空间索引：格网索引
1234
1
2
3 7
5 28
1
3
4
9 10
6
4
1234 1 2 P(2,1)=7 P(2,2)=8 P(2,3=1 3 P(3,1)=4 P(3,2)=10 P(3,3)=6 4
• 层次结构采用关 键字来访问其中 每一层次的每一 部分。
2
b
3e
M
5
a
Ⅰc
Ⅱ
f
1
d
4
g
6
M
• 层次数据库结构 Ⅰ 特别适用于文献
目录、土壤分类、 a b c d
部门机构等分级
1 22 33 44 1
数据的组织。
Ⅱ
c
e
f
g
3 43 55 66 4
11 层层次次数数据据模模型型
• 优点： • 存取方便且速度快 • 结构清晰，容易理解