空间数据组织与管理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 空间数据组织和管理,第一节 概述,第二节 空间数据组织管理,1、数据库的定义,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。,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。,计算机对数据的组织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,第一节 概述,2、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。,3、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。,数据库特点,数据独立于应用程序而集中管理；,数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系。,3、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。,1、一对一的联系,(1：1) （学号学生）,2、一对多的联系(1：N) （专业、班级学生）,3、多对多的联系(M：N) （课程学生）,A,B,A,B,4.常规数据模型,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。,数据模型分类：,层次模型,网络模型,关系模型,其中应用最广泛的是关系模型。,(1) 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土地类型分类分级、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。,层次数据库模型特点,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,（2）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 。,系名,土管,系,教师数,学生数,研究生,系名,GIS系,教师数,49,学生数,257,研究生,71,学校名称,理工大,系名,测工系,教师数,52,学生数,300,研究生,70,系名,教师数,学生数,研究生,系名,教师数,学生数,学号,002312,姓名,张三,年级,3,籍贯,广东,系名,教师数,学生数,研究生,系名,教师数,学生数,教师号,66,姓名,XXX,年龄,45,职称,教授,系名,教师数,学生数,研究生,系名,教师数,学生数,课程号,A01,课程名,GIS,周学时,4,学分,5,系名,教师数,系名,学号,002312,课程号,A01,网络数据库模型特点,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）,（3）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。,点,关系模型对数据的组织地图表,M,地图表,关系模型对数据的组织多边形表,a,c,b,e,c,f,g,d,多边形表,关系模型对数据的组织线表,a,1,2,g,b,2,5,f,4,6,3,e,3,5,6,d,4,1,c,3,4,线表,关系模型对数据的组织点坐标表,点坐标表,1,x1,y1,2,x2,y2,3,x3,y3,4,x4,y4,5,x5,t5,6,x6,y6,点,关系数据库模型特点,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。,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值,.,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,第二节 空间数据组织管理方法： 空间数据库,一、空间数据库概念及特点,空间数据库,定义：空间数据库是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,属性数据和空间数据联合管理,数据应用范围广泛,空间数据库的数据特征,空间特征,非结构化特征,空间关系特征,分类编码特征,海量数据特征,传统数据库与空间数据库的比较,传统数据库,空间数据库,数据连续性/相关性,不连续,相关性小,连续,较强空间相关性,实体类型/空间关系,少,简单固定,多,复杂且不固定,记录长度,结构化,等长,非结构化,不等长,查询与操作,文字、数字,文字数字,空间图形,二、常用空间数据模型,基于文件的数据管理模型,基于文件与关系式数据库的混合空间数据模型；,全关系型空间数据模型,(,扩展模型,),；,对象,关系式数据库的空间数据模型（统一数据模型）；,面向对象的空间数据模型。,1、基于文件的数据管理方式,缺点：,1）,程序依赖于数据,文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。,2）,以文件形式共享,，,当多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。,不能达到真正的共享,，,即数据项、记录项的共享。,GIS应用软件,空间及属性数据文件,GIS应用1,空间、属性数据文件1,GIS应用2,空间、属性数据文件2,空间、属性数据文件3,图形处理的用户界面和属性的用户界面是,分开,的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统,来回切换，不方便,。,2、基于文件与关系数据库混合管理方式,几,何,数,据,属,性,数,据,ID,数,据,文,件,数,据,库,早,期,图形用户界面,图形处理,DBMS,属性用户界面,图形,文件库,属性,数据库,GIS用户界面,图形处理,DBMS,图形,文件库,属性,数据库,高级语言,ODBC协议,GIS用户界面,图形处理,DBMS,图形,文件库,属性,数据库,高级语言,数据库开发语言,数据库开发,数据库开发,GIS 通过DBMS提供的高级编程语言C或Fortran等接口，在C语言的环境下，,直接操纵属性数据，查询属性数据库,，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。,在ODBC(Open DataBase Connectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商,只需开发GIS与ODBC的接口软件,，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在,一个界面,下处理图形和属性数据。,图形与属性结合的混合处理模式,图形与属性结合的各自分开处理模式,文件与关系数据库混合管理方式弊端,GIS应用软件,Arc/Info,图形用户界面ArcEdit,属性用户界面,Tables,图形数据文件库,属性数据库,图形处理系统,数据库管理系统,oid,几何图形,: 图形用户界面与图形文件处理是一体的，,中间没有裂缝,。,属性数据,，则,因系统和历史发展而异,。,即采用文件与RDBMS的混合管理模式中,文件管理系统的功能较弱,，特别是在,数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能,。,因而GIS软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMS。,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。,3、全关系型空间数据模型,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。,属性间接存取，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,、,GeoView,等。,GIS界面,属性数据,（定长记录）,空间数据,（变长记录）,DBMS,空间,数据库,关系表,二进制块,DBMS软件商在RDBMS中进行扩展，使之能,直接存储和管理非结构化的空间数据,。,原理,是,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。,全关系型数据库的实现方式,GIS应用,扩展,DBMS,以容纳空间数据,商用DBMS,空间和属性数据库,特点：,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。,用RDBMS管理图形数据有,两种方式,：,a、,基于关系模型的方式,，图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一系列关系,连接,运算，,费时,。,例如,b、将图形数据的变长部分处理成,Binary Block字段,（多媒体或变长文本）,。,省去,大量关系连接操作，但Binary Block的读写效率比定长的属性字段,慢得多,，特别涉及对象的,嵌套时，更慢,。,关系模型组织图形数据,P1,P2,多边形编号,边号,边长,P1,a,P1,b,P1,c,P1,d,边号,起结点号,终结点号,a,1,7,b,2,1,结点号,x,y,1,.,2,C,N,E,4、对象关系数据模型,商用DBMS,GIS应用,空间数据处理管理模块,空间和属性数据库,扩充实体(对象)类型,（点、线、面、圆等）,主要解决,空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但,仍没有解决,对象的嵌套问题，空间数据结构,不能由用户定义,，用户,不能,根据,GIS,要求再定义，,使用上受一定限制。,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。,这种模型不是基于标准的RDBMS，而是在开放型DBMS基础上,扩充空间数据表达功能,。空间,扩展,完全包含在DBMS中，用户可以使用自己的基本抽象数据类型（ADT）来扩充DBMS。在DBMS中进行数据类型的直接操作方便、有效，,如Informix 和Oracle等都推出了,空间数据管理的模块,，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的API函数。,5、面向对象的空间数据库模型,（1）面向对象数据模型的含义,为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。,这就是面向对象数据模型的含义，其具体实现就是,面向对象的数据结构,。,面向对象模型,最适合于,空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。,允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作,。可以将空间对象根据GIS需要，定义合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。,面向对象的地理数据模型的,核心,是对,复杂对象,的模拟和操纵。,面向对象方法简介,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。,（1）面向对象的基本概念,对象,类,消息与方法,协议与封装,对象,对象,是含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是,数据和行为的统一体,。,如一个城市、一棵树均可作为地理对象,。,具有一个,唯一的标识,，,以表明其存在的独立性；,具有一组描述特征的,属性,，以表明其在某一时刻的状态静态属性数据；,具有一组表示行为的,操作方法,，用以改变对象的状态。作用、功能函数、方法。,对象的划分：,根据对象的共性，及对它的,研究目的,来划分，与具体的目的、性质相联系，不同的目的就会有不同划分。,划分原则：,找共同点,，所有具有共性的系统成份就可为一种对象。,类,类,是共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类,。类是对象集合的抽象。,如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。,实例,类的一个具体对象，称为,实例,，如长江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。,类是抽象的对象，是实例的组合，,类、实例是相对的,，类和实例的关系为上下层关系。类-申请实例-成为具体对象。,类,实例1,实例2,类实例,消息与方法,是,对象之间的请求和协作,。（并不独立存在）对象之间的关系，如鼠标点击，就是消息，点某按纽，就是对按纽提出请求。,对,象,1,对,象,2,请求和协作,消息, 消息与方法, 协议与封装,协议,是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可为外界做什么，对象能够并且只能向该对象发送协议中所提供的消息，请求该对象提供服务。,封装,就是将某件事物包围起来，使外界不必知道其实际内容。,封装的最基本单位是对象，对象通过封装后，其他对象只能从仅有消息中提供的功能进行请求服务，对这个对象内部的情况不必了解。,现实世界抽象实例,现实世界,对象1,对象2,对象3,抽象,属性 数据,行为 方法,类,实例,方法、消息,封装,协议,（2）面向对象模型的抽象工具,1、分类,2、概括,3、聚集,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）抽象工具。,4、联合,5、继承,6、传播,（3）复杂对象及其特点,指具有,复杂结构和操作,的对象。复杂对象可以由,多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象构成，或具有复杂的嵌套关系,等。,复杂对象的特点,可归结为：,一个复杂对象由,多个成员对象,构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成；,具有,多种数据结构,，如矢量、栅格、关系表等；,一个复杂对象的不同部分可,由不同的数据模型,所支持，也就是说，可以分布于不同的数据库中。,复杂对象实例,在GIS中的一个,复杂地理实体,(如大学)可能含有矢量数据、栅格数据、属性数据，甚至多媒体数据，而且可以认为是由其它较,简单的实体,(如道路、教学楼、操场等)组成，因此，可以作为一个复杂对象。GIS的地理实体所具有的,矢量数据也可以认为是一个复杂对象，,因为它包含了几何数据和属性数据，而几何数据又是由,点、线、面等简单对象,组成。,复杂地物实例,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,湖,公,园,矿,山,大,学,县,（4）面向对象的几何数据模型,从几何方面划分，GIS的各种地物对象为,点、线、面状地物,以及由它们混合组成的,复杂地物,。每一种几何地物又可能由一些更简单的,几何图形元素,构成。,空间地物,复杂地物,简单地物,面域,弧段,节点,面状地物,线状地物,点状地物,一个面状地物是由边界弧段和中间面域组成，弧段又涉及到节点和中间点坐标。或者说，节点的坐标,传播,给弧段，弧段,聚集,成线状地物或面状地物，简单地物,聚集或联合,组成复杂地物,。,（5）拓扑关系与面向对象模型,将每条弧段的两个端点（通过它们与另外的弧段公用）抽象出来，建立单独的,节点对象类型,，而在弧段的数据文件中，设立两个节点子对象标识号，即用“,传播,”的工具,提取,节点文件的信息。,面标识,弧段标识,弧段标识,起节点,终节点,中间点串,节点标识,X,Y,Z,面域文件,弧段文件,节点文件,拓扑关系与数据共享,这一模型既解决了,数据共享,问题，又建立了,弧段与节点的拓扑关系,。同样，面状地物对弧段的,聚集,方式与,数据共享,和,几何拓扑关系,的建立也达到一致。,（6）面向对象的属性数据模型,面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能基础上，增加面向对象数据模型的,封装、继承和信息传播,等功能。,耕地,园地,林地,居民地,牧草地,未用地,交通用地,水域,GIS,城镇,农村居民点,工矿地,控制点,电力设施,公园,街道,建筑物,操作：,查询,插入,删除,属性,：标识码,区号 街道号,房主等,建筑日期,：,职员库,操作,属性,职员编号,工资,姓名,饭店设施库,房间床位,操作,属性,工厂,医院,学校,居民住宅,饭店,商店,邮局,银行,（7）面向对象的空间数据模型的特点,可充分利用现有数据模型的优点。,具有可扩充性,。由于对象是相对独立的，因此可以很自然和容易地增加新的对象，并且对不同类型的对象具有统一的管理机制。,c),可以模拟和操纵复杂对象,。传统的数据模型是面向简单对象的，无法直接模拟和操纵复杂实体，而面向对象的数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力。,在GIS中建立面向对象的数据模型时，对象的确定还,没有统一的标准,，但是，对象的建立应符合人们对客观世界的理解，并且要完整地表达各种地理对象，及它们之间的相互关系。,（8）面向对象数据库系统的基本概念,“什么是面向对象数据库系统（OODBS-Object Oriented Data Base System）?”,Francois Bancilho把OODB定义为：“一个面向对象的数据库系统应该满足两条准则：它应该是,一个数据库管理系统,，而且,还是一个面向对象的系统,。第一条准则是说它应该具备,六个特征,：,永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改,。第二条准则是说它应具备,八个特征,：,类/类型、封装性/数据抽象、继承性、多态性/滞后联编、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性。”,（8）面向对象数据库系统的基本概念,面向对象,数据库系统,的基本概念,数据库管理系统,面向对象的系统,永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改,类,/,类型、封装性,/,数据抽象、继承性、多态性,/,滞后联编,、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性,动态联编,:,为了实现多态，,系统不能在编译时就把操作名联编到程序上，而要等到运行时才进行解释。,面向对象数据库系统的功能构成,从OODBS具有,面向对象特性的角度,出发，OODBS应该提供创建类的设施，用以组织对象、创建对象、把类组织成一个继承层次，使得子类能从超类中继承属性和方法，以及调用方法来访问特定的对象。,从OODBS是一个,数据库系统的角度,考虑，它必须提供当今关系数据库系统（RDB）提供的那些标准数据库设施，包括检索对象的非过程性查询设施、自动查询优化和处理、动态模式改变（改变类定义和继承结构）、存取方法（如B树索引、可扩充散列、排序等）的自动管理以提高查询处理性能、自动事务管理、并发控制、从系统故障中恢复、安全和授权。,（9）面向对象数据库系统的优势,1）缩小了语义差距,传统数据库设计往往是在,问题空间,采用某种语义模型,（,例如ER模型,），,而在,求解空间采用关系模型,，,于是就必须在这两个空间的表示之间作一个转换，这样往往会丢失语义。OODB的优势在于在这两个空间中采用了相同/近似的模型，从而使它们之间的语义差距缩小了,。,（9）面向对象数据库系统的优势,（续）,2）减轻了“阻抗失配”问题,传统数据库应用往往表现为,把数据库语句嵌入,某种具有计算完备性的,程序设计语言,中，由于数据库语言和程序设计语言的类型系统和计算模型往往不同，所以这种,结合是不自然的,，这个现象被称为“,阻抗失配,”。在OODB中，把需要程序设计语言编写的操作都封装在对象的内部，从本质上讲，OODB的问题求解过程只需要表现为一个消息表达式的集合。,（9）面向对象数据库系统的优势,（续）,3）适应非传统应用的需要,OODB研究的目的就是为了适应诸如CAD、CAM、CASE、,GIS,等非传统领域的需要。OODB中，,这种适应性主要表现在,能够定义和操纵复杂对象,，具备,引用共享和并发共享机制以及灵活的事务模型,，支持大量对象的存储和获取等等。,（10）应用现状及趋势,当前已推出了若干OODBMS如O2等，也出现一个基于OODBMS的GIS，但由于OODBMS价格昂贵且技术还不成熟，目前在GIS领域不太通用。,基于对象关系的SDBMS将可能成为GIS空间数据库发展的主流。,（11）面向对象数据库的实现方式,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。,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,工,程,工作区,1,工作区,2,工作区,3,空间地物,专题地物,专题,1,专题,2,专题,3,类,1,类,2,.,类,3,类,5,类,6,.,类,4,类,7,类,8,.,类,1,类,2,线,状,地,物,面,地,类,5,类,6,类,7,类,8,类,3,类,4,结点,-,点状,地物,弧,段,注,记,位,置,XYZ,栅,格,专题地物,专题地物,专题地物,专题地物,专题地物,专题地物,面状地物,（12）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,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,ID,X,max,X,min,Y,max,Y,min,1,2,3,4,Y,max,Y,min,X,min,X,max,空间对象集合,1,2,3,4,5,6,检索窗口,XN,YW,YE,XS,Xmax,XN OR XminXS OR,Ymax,YE OR YminYW,空间对象不被检索,XE,Xmax，XminXN AND,YW,Ymax，YminYE,空间对象被检索,XN,YW,YE,XS,2,3,6,空间索引：,格网索引,P(3,3)=6,P(3,1)=4,P(3,2)=10,3,4,1,2,P(2,3=1,P(2,1)=7,P(2,2)=8,3,1,4,2,头指针,ID,P,1,0,2,0,3,0,4,0,5,2,6,0,7,3,3,4,1,2,3,1,4,2,8,5,9,0,10,9,链指针,思考题,数据库模型有哪几类？各自的优缺点。,空间数据库模型有哪几类？各自的优缺点。,对象的几个基本概念。,面向对象的几何数据模型。,面向对象数据库系统的优势。,面向对象数据库的实现方式。,