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第五部分第五部分 空间数据组织及空间数据库空间数据组织及空间数据库1章节安排4.1 4.1 空间数据组织及索引空间数据组织及索引4.2 4.2 空间数据库空间数据库24.1空间数据组织及索引数据组织的分级数据组织的分级图幅内的空间数据组织图幅内的空间数据组织空间数据索引空间数据索引34.1.1 4.1.1 数据组织的分级数据组织的分级物理分级：物理分级：比特比特字节字节字字块块桶桶卷卷逻辑分级：逻辑分级：数据项数据项记录记录文件文件数据库数据库4数据项数据项可以定义数据的最小单位，也叫基本项、可以定义数据的最小单位，也叫基本项、字段等。字段等。域：数据项及实体的属性相对应，有一定域：数据项及实体的属性相对应，有一定的取值范围。的取值范围。域外的任何值视为无意义的取值。域外的任何值视为无意义的取值。逻辑分级的相关概念逻辑分级的相关概念5记录记录由若干相关联的数据项组成。由若干相关联的数据项组成。应用程序输入应用程序输入/输出的逻辑单位。输出的逻辑单位。是数据库系统中信息处理和存储的基本单是数据库系统中信息处理和存储的基本单位，是对一个实体信息描述的数据总和。位，是对一个实体信息描述的数据总和。逻辑分级的相关概念逻辑分级的相关概念6关键字关键字为了唯一标识每个记录，必须有为了唯一标识每个记录，必须有记录标识记录标识符符，也称，也称关键字关键字。一般由记录的第一个关。一般由记录的第一个关键字担任。有主关键字、次关键字之分。键字担任。有主关键字、次关键字之分。逻辑分级的相关概念逻辑分级的相关概念7数据库数据库具有特定联系的数据集合。也可以看成是具有特定联系的数据集合。也可以看成是多类型记录的集合。多类型记录的集合。其内部构造是文件的集合。其内部构造是文件的集合。文件之间存在某种联系，不能孤立存在。文件之间存在某种联系，不能孤立存在。逻辑分级的相关概念逻辑分级的相关概念8数据库及图书馆管理的比较94.1.2 4.1.2 图幅内的空间数据组织图幅内的空间数据组织（1 1）工工作作区区:通通常常将将一一幅幅图图或或几几幅幅图图的的范范围围当当作作一一个个工工作作单单元元或或工工作作区区。工工作作区区包包含含了了所所有有各各层层的的空间数据。工作区通常按范围定义。空间数据。工作区通常按范围定义。（2 2）工工作作层层:工工作作是是空空间间数数据据处处理理的的一一个个工工作作单单位位。可包含若干逻辑层。可包含若干逻辑层。（3 3）逻辑层）逻辑层:具有多个地物类组成。具有多个地物类组成。（4 4）地地物物类类（专专题题层层）:具具有有相相同同属属性性和和意意义义的的地地物组合物组合10文件文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。值的集合。根据记录的组织方式分为：根据记录的组织方式分为：顺序文件顺序文件索引文件索引文件直接文件直接文件倒排文件倒排文件逻辑分级的相关概念逻辑分级的相关概念114.1.3 空间数据索引无缝图层无缝图层工作区索引工作区索引目标索引目标索引12一一 无缝图层无缝图层定义：将定义：将一个地区或城市一个地区或城市看作看作一个整体一个整体（工程），用户可以在这个工程内任意、（工程），用户可以在这个工程内任意、开窗、放大、漫游、查询、分析和制图。开窗、放大、漫游、查询、分析和制图。处理方式：处理方式：物理无缝图层：以物理方式拼接为一个整体；物理无缝图层：以物理方式拼接为一个整体；逻辑无缝图层：在逻辑位置上拼接成一个图层逻辑无缝图层：在逻辑位置上拼接成一个图层。空间数据索引空间数据索引13无缝图层示例无缝图层示例空间数据索引空间数据索引无缝图层无缝图层14物理方式和逻辑方式的区别物理方式和逻辑方式的区别物理图层：物理图层：直接将图幅先进行接边处理，直接将图幅先进行接边处理，将分幅地图文件进行合并，得到空间上连续的图层。将分幅地图文件进行合并，得到空间上连续的图层。逻辑图逻辑图层：层：不改变分幅图层的物理存储位置，不改变分幅图层的物理存储位置，建立跨图幅地物的索引，实现对地物的跨图幅操作。建立跨图幅地物的索引，实现对地物的跨图幅操作。空间数据索引空间数据索引无缝图层无缝图层15图幅逻辑接边示例空间数据索引空间数据索引无缝图层无缝图层16二二 工作区索引工作区索引基本思想：基本思想：将图层范围分成若干个工作区；将图层范围分成若干个工作区；建立一个工程和它包含的工作区之间的空间索建立一个工程和它包含的工作区之间的空间索引文件。引文件。空间数据索引空间数据索引工作区索引工作区索引17工作区索引示例工作区索引示例空间数据索引空间数据索引工作区索引工作区索引18三三 目标索引目标索引基本思想：基本思想：建立地物及鼠标屏幕坐标间的索引。建立地物及鼠标屏幕坐标间的索引。分类：分类：窗坐标索引窗坐标索引格网索引格网索引BSP索引索引KDB树索引树索引R树和树和R+树索引树索引CELL树索引树索引空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引191.窗坐标索引窗坐标索引基本思想：基本思想：当记录每个空间对象的坐标时，同时记录其对当记录每个空间对象的坐标时，同时记录其对象的最大、最小窗坐标。象的最大、最小窗坐标。窗坐标：指完全包含该对象的最小外接矩形的窗坐标：指完全包含该对象的最小外接矩形的对角点坐标（矩形边界平行坐标轴）对角点坐标（矩形边界平行坐标轴）空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引20窗坐标索引示意图窗坐标索引示意图空间对象的窗范围 基于窗的空间对象检索空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引212.格网索引格网索引基本思想：基本思想：将工作区按一定的规则划分为格网，记录每一将工作区按一定的规则划分为格网，记录每一格网内所包含的空间对象。格网内所包含的空间对象。建立空间索引的线性表，将格网按建立空间索引的线性表，将格网按Morton码进码进行编码，建立行编码，建立Morton及空间对象的关系及空间对象的关系。空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引22格网索引示例格网索引示例格网索引的编码（格网索引的编码（Peano键）键）空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引233.BSP索引索引基本思想：将目标空间逐级进行一分为二基本思想：将目标空间逐级进行一分为二的划分。的划分。空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引244.KDB树索引树索引基本思想：基本思想：是是BSP树向多维空间地扩展。树向多维空间地扩展。特点：特点：优点：可以对多维空间的点进行动态索引，删优点：可以对多维空间的点进行动态索引，删除和增加空间点对象很方便；除和增加空间点对象很方便；缺点：不直接支持占据一定空间范围的空间对缺点：不直接支持占据一定空间范围的空间对象，如二维空间中的线及面。象，如二维空间中的线及面。空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引255.R树和树和R+树索引树索引基本思想：基本思想：设计一些虚拟的图框，将一些空间距离详尽的空间对象包含设计一些虚拟的图框，将一些空间距离详尽的空间对象包含在这些矩形框内，矩形框包含空间对象的指针；在这些矩形框内，矩形框包含空间对象的指针；判断哪些虚拟矩形落在检索窗口内，判断哪些虚拟矩形落在检索窗口内，进一步判断虚拟矩形中的哪些空间对象为被检索对象。进一步判断虚拟矩形中的哪些空间对象为被检索对象。矩形框数据结构：矩形框数据结构：Rectangle-ID：矩形框的对象标识；矩形框的对象标识；Type：表示矩形框是虚拟对象还是实际空间对象；表示矩形框是虚拟对象还是实际空间对象；Min-X,Min-Y,Max-X,Max-Y：矩形框的最大最小坐标。矩形框的最大最小坐标。空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引26构造矩形框原则矩形之间尽可能少重叠；矩形之间尽可能少重叠；矩形尽可能包含更多的空间对象；矩形尽可能包含更多的空间对象；矩形可以嵌套，即矩形可以包含更小的矩矩形可以嵌套，即矩形可以包含更小的矩形。形。空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引27R+树索引示例允许矩形相互重叠允许矩形相互重叠空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引286.CELL树索引树索引基本思想：基本思想：借鉴借鉴BSP树和树和R树的机制，采用凸多边形代替树的机制，采用凸多边形代替矩形作为划分区域的基本单元；矩形作为划分区域的基本单元；子空间不允许重叠子空间不允许重叠。空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引29CELL树索引示例树索引示例空间数据索引空间数据索引目标索引目标索引304.2 空间数据库数据库的基本理论数据库的基本理论空间数据库的基本概念空间数据库的基本概念空间数据库的管理模式空间数据库的管理模式时间维的表示时间维的表示314.2.1 数据库的基础理论数据管理的发展历程数据管理的发展历程数据库的系统结构数据库的系统结构数据库管理系统数据库管理系统数据模型数据模型32一 数据管理的发展历程程序管理阶段（数据和程序一同存在程序管理阶段（数据和程序一同存在)文件管理阶段（数据和程序相独立文件管理阶段（数据和程序相独立)数据库管理阶段（逻辑独立数据库管理阶段（逻辑独立/物理独立物理独立)数据仓库阶段（面向主题组织数据仓库阶段（面向主题组织)33二 数据库的系统结构34三级模式外模式外模式（子模式、用户模式（子模式、用户模式）：数据的局）：数据的局部逻辑结构，数据库用户看到的数据视图。部逻辑结构，数据库用户看到的数据视图。概念模式（模式、逻辑模式）：数据库中概念模式（模式、逻辑模式）：数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述，全体数据的全局逻辑结构和特性的描述，是面向所有用户的公共数据视图。是面向所有用户的公共数据视图。内模式内模式（存储模式（存储模式）：数据在数据库中的）：数据在数据库中的内部表示，是数据的物理结构和存储方式内部表示，是数据的物理结构和存储方式的描述。的描述。数据库的系统结构数据库的系统结构35两次映像外部模式及概念模式间的映象外部模式及概念模式间的映象：定义了外：定义了外部模式及概念模式间的关系，保证了数据部模式及概念模式间的关系，保证了数据的逻辑独立性。的逻辑独立性。概念模式及内部模式间的映象概念模式及内部模式间的映象：定义了数：定义了数据的逻辑结构和物理存储间的关系，保证据的逻辑结构和物理存储间的关系，保证了数据的物理独立性。了数据的物理独立性。数据库的系统结构数据库的系统结构36三三 数据库管理系统（数据库管理系统（DBMS）DBMS的功能的功能 DBMS的组成的组成DBMS存取数据的基本过程存取数据的基本过程37DBMS的功能数据库定义数据库定义数据库管理数据库管理数据库维护数据库维护数据库通信数据库通信数据库管理系统数据库管理系统38DBMS的组成语言处理程序语言处理程序系统运行程序系统运行程序建立和维护程序建立和维护程序数据库管理系统数据库管理系统39DBMS存取数据的基本过程数据库管理系统数据库管理系统40四 数据库数据模型层次模型层次模型层次型数据库层次型数据库网络模型网络模型网络型数据库网络型数据库关系模型关系模型关系型数据库关系型数据库面向对象模型面向对象模型面向对象数据库面向对象数据库41 1.层次模型空间图形的层次数据模型表示空间图形的层次数据模型表示 42 层次模型的缺陷1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；很难进行反向查询；43层次模型的缺陷3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除；意味着其下层所有子结点均被删除；4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径；式地给出数据的存取路径；5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。）基本不具备演绎功能和操作代数基础。442.网络数据模型网络数据模型图形的网络数据模型表示图形的网络数据模型表示 45网络数据模型缺陷网络数据模型缺陷1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；所处的位置；2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在及层次）网状数据操作命令具有过程式性质，存在及层次模型相同的问题；模型相同的问题；3）不直接支持对于层次结构的表达；）不直接支持对于层次结构的表达；4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。）基本不具备演绎功能和操作代数基础。46 3.关系数据模型关系数据模型47关系数据模型缺陷关系数据模型缺陷1）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱；弱；2）描述具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地）描述具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然分解，导致存储模式、查询途理实体进行不自然分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面显得语义不甚合理；径及操作等方面显得语义不甚合理；3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不高。作，运行效率不高。484.面向对象模型49面向对象模型特点1）可充分利用现有数据模型的优点；）可充分利用现有数据模型的优点；2）具有可扩充性；）具有可扩充性；3）可以模拟和操纵复杂对象。）可以模拟和操纵复杂对象。504.2.2 4.2.2 空间数据库基本概念空间数据库基本概念定义：应用于地理空间数据处理及信息领定义：应用于地理空间数据处理及信息领域的具有工程性质的数据库。域的具有工程性质的数据库。管理对象：主要是管理对象：主要是地理空间数据地理空间数据。空间数据库的组成：空间数据库的组成：数据库数据库数据库管理系统数据库管理系统数据库应用系统数据库应用系统514.2.3 空间数据库的管理模式52一 混合结构管理模式空间数据库的管理模式空间数据库的管理模式53基本思想用用两两个个子子系系统统分分别别存存储储和和检检索索空空间间数数据据及及属性数据属性数据:属性数据存储在常规的属性数据存储在常规的RDBMS中；中；几何数据存储在空间数据管理系统中；几何数据存储在空间数据管理系统中；两两个个子子系系统统间间用用标标识识符符联联系系起起来来（即即通通过过关关键键字联系）。字联系）。混合结构管理模式混合结构管理模式54混合结构管理模式的特点优点：由于一部分建立在标准的优点：由于一部分建立在标准的RDBMS上，上，存储和检索数据比较有效、可靠。存储和检索数据比较有效、可靠。缺点：缺点：由于使用了两个子系统，它们各自有自己的规由于使用了两个子系统，它们各自有自己的规则，查询操作难以优化，存储在则，查询操作难以优化，存储在RDBMS外的外的数据有时会丢失数据项的语义。数据有时会丢失数据项的语义。数据完整性的约束条件可能遭破坏，如在几何数据完整性的约束条件可能遭破坏，如在几何空间数据系统中目标实体仍存在，但在空间数据系统中目标实体仍存在，但在RDBMS中却已删除。中却已删除。空间数据库的管理模式空间数据库的管理模式55二 扩展结构管理模式空间数据库的管理模式空间数据库的管理模式56基本思想采用采用同一同一DBMS存储空间数据和属性数据，存储空间数据和属性数据，即在标准的关系数据库上增加空间数据管即在标准的关系数据库上增加空间数据管理层理层;利用该层将结构查询语言（利用该层将结构查询语言（GeoSQL）转）转化成标准的化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。助关系实施空间索引操作。扩展结构管理模式扩展结构管理模式57扩展结构管理模式的特点优点：省去了空间数据库和属性数据库间优点：省去了空间数据库和属性数据库间的繁琐连接，空间数据存取速度快。的繁琐连接，空间数据存取速度快。缺点：由于是存取、效率上总是低于缺点：由于是存取、效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查询过中所用的直接操作过程，且查询过程复杂。程复杂。58三 统一结构管理模式空间数据库的管理模式空间数据库的管理模式59基本思想在开放型在开放型RDBMS基础上扩充空间数据表达基础上扩充空间数据表达功能；功能；空间扩展完全包含在空间扩展完全包含在DBMS中；中；用户可使用自己的基本抽象数据类型用户可使用自己的基本抽象数据类型（ADT）来扩充）来扩充DBMS。统一结构管理模式统一结构管理模式60特点优点：在核心优点：在核心DBMS中进行数据类型的直中进行数据类型的直接操作很方便、有效，并且用户还可以开接操作很方便、有效，并且用户还可以开发自己的空间存取算法。发自己的空间存取算法。缺点：用户须在缺点：用户须在DBMS环境中实施自己的环境中实施自己的数据类型，对有些应用相当困难。数据类型，对有些应用相当困难。统一结构管理模式统一结构管理模式61对象空间管理系统特点：特点：支持变长记录支持变长记录支持对象的嵌套、信息继承及传播。支持对象的嵌套、信息继承及传播。应用软件：应用软件：GDE、SmallWorld等。等。统一结构管理模式统一结构管理模式624.2.4 时空数据库目标：反映空间目标的时间特性。目标：反映空间目标的时间特性。处理目标：处理目标：时空数据模型时空数据模型时空数据的更新时空数据的更新时空数据的查询时空数据的查询63时空一体化数据模型1）时间片快照模型）时间片快照模型 基本思想：对不同基本思想：对不同时间点的数据进行时间点的数据进行记录。记录。缺陷：冗余度大。缺陷：冗余度大。642）底图叠加模型基本思想：在底图基本思想：在底图数据的基础上，记数据的基础上，记录不同时间点的变录不同时间点的变化状态。化状态。特点：比快照模型特点：比快照模型冗余度小。冗余度小。时空一体化数据模型时空一体化数据模型653）时空合成模型基本思想：基本思想：将每一次独立的叠加变为一次性的合成叠加；将每一次独立的叠加变为一次性的合成叠加；由变化累积为最小的变化单元，将变化历史作由变化累积为最小的变化单元，将变化历史作为属性赋予变化单元。为属性赋予变化单元。特点：特点：保留了底图叠加模型的优点；保留了底图叠加模型的优点；便于软件实现。便于软件实现。66时空合成模型示例674）全信息对象模型基本思想：基本思想：用面向对象的方法，将目标的空间、属性、时用面向对象的方法，将目标的空间、属性、时间信息全部包含在空间对象的定义中。间信息全部包含在空间对象的定义中。每个地理对象对应一个每个地理对象对应一个对象标识对象标识。对象的对象的更新更新模式：模式：对象的对象的版本进化版本进化；新对象新对象的产生。的产生。68本章重要的概念和术语工作区工作区逻辑层逻辑层工作层工作层地物类地物类混合结构管理模式混合结构管理模式扩展结构管理模式扩展结构管理模式统一结构管理模式统一结构管理模式时空数据模型时空数据模型69本章要点回顾不同的数据管理方式的特点不同的数据管理方式的特点空间数据库的管理方式空间数据库的管理方式70
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