第四章地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫

1、第四章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫,本章主要內(nèi)容：空間數(shù)據(jù)庫概述空間數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計與物理設(shè)計空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫,§4.1 空間數(shù)據(jù)庫概述,一、空間數(shù)據(jù)庫概念是GIS中存儲的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和。（各種來源和形式）數(shù)據(jù)庫＝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)（1）常規(guī)DBMS進行擴展，使有空間數(shù)據(jù)存儲、管理功能；（Oracle）（2）常規(guī)DBMS基礎(chǔ)上加一層空間數(shù)據(jù)庫引擎。

2、（ESRI的SDE（Spatial Database Engine））,二、空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計實質(zhì)：如何將地理實體以一定組織形式在數(shù)據(jù)庫中表達。即空間實體數(shù)據(jù)的模型化問題?？臻g數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程,客觀世界－（認識、抽象）－>概念模型概念模型－（選定數(shù)據(jù)模型、DBMS）－>邏輯模型邏輯模型－（確定數(shù)據(jù)組織方式）－>存儲模型,2. 概念模型（空間特征，關(guān)系描述）（1）空間特征：點、線、面、體四種基本類型；（2）實體在空

3、間、時間、屬性三方面存在聯(lián)系：空間聯(lián)系：空間位置、分布、關(guān)系、運動等；時間聯(lián)系：客體隨時間變化，可構(gòu)成時態(tài)數(shù)據(jù)庫；屬性關(guān)系：屬性多級分類中的從屬關(guān)系、聚類關(guān)系、相關(guān)關(guān)系。3. 空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型設(shè)計空間數(shù)據(jù)模型：對空間客體進行描述和表達的數(shù)學(xué)手段，使之能反應(yīng)客觀實體及其關(guān)系。常用的：層次模型；網(wǎng)狀模型；關(guān)系模型；語義模型；面向?qū)ο竽Ｐ汀?3. 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的原則、步驟*原則盡量減小存儲冗余可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)

4、及時訪問,高效查詢能維持空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜聯(lián)系支持多種決策的需要，適應(yīng)性強,**步驟（1）需求分析（2）概念設(shè)計 建立數(shù)據(jù)庫的概念模型；（3）邏輯設(shè)計 把概念模型映射為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型。（4）物理設(shè)計 將數(shù)據(jù)庫的邏輯模型在存儲設(shè)備上實現(xiàn)。,三、空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)與維護1. 空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)（1）建立實際的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)；（2）裝入試驗性數(shù)據(jù)測試應(yīng)用程序；（3）裝入實際空間

5、數(shù)據(jù)，運行。2.空間數(shù)據(jù)庫的運行與維護（1）維護安全性與完整性；（2）監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能；（3）增加新的功能；（4）修改錯誤。,§4.2 空間數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計－傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型,數(shù)據(jù)模型是表達現(xiàn)實世界的規(guī)格化說明，在數(shù)據(jù)庫中用形式化的方法描述數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和操作。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型有：層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型。文件系統(tǒng)的繼承和延伸。正逐漸被復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫所取代。,一、層次模型用樹狀結(jié)構(gòu)描述實體之間聯(lián)系的模型。,二、網(wǎng)狀模型

6、用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來表示實體間的聯(lián)系。,三、關(guān)系模型用二維表來表達實體和實體之間的聯(lián)系。使得設(shè)計、操縱較為容易。,四、三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的比較,§4.3 空間數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計—語義模型和面向?qū)ο竽Ｐ?傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的弱點：（1）以記錄為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)不能很好面向用戶傳統(tǒng)模型－記錄；現(xiàn)實世界－事務(wù)、實體。有時不對應(yīng)。（2）不能以自然的方式表示實體間的聯(lián)系 層次、網(wǎng)狀顯式地描述關(guān)系，但不自然；關(guān)系模型聯(lián)系隱含，必須檢索全部記錄才

7、能確定。（3）語義貧乏 用單一結(jié)構(gòu)描述描述“交互”、“從屬”、“構(gòu)成”等眾多聯(lián)系，語義上無法區(qū)別。（4）數(shù)據(jù)類型太少 只提供常用的簡單數(shù)據(jù)類型，不能自定義新的數(shù)據(jù)類型。,一、語義數(shù)據(jù)模型 －實體聯(lián)系模型（E –R模型）提供三種語義概念：（1）實體：客觀存在的起獨立作用的客體。 （2）聯(lián)系：實體間的相互作用或?qū)?yīng)關(guān)系:1:1,1:N,M:N, （3）屬性：對實體和聯(lián)系特征

8、的描述。,,,,用E-R模型進行概念設(shè)計：（1）局部E-R模型（2）全局E-R模型（3）優(yōu)化,E－R模型的特點及作用（1）接近人的思維，易于理解，與計算機的具體實現(xiàn)無關(guān)；（2）現(xiàn)有DBMS不能直接支持E－R模型（3）只用于概念模型設(shè)計。在邏輯設(shè)計時再轉(zhuǎn)化為計算機能接受的數(shù)據(jù)模型。,二、面向?qū)ο竽Ｐ?、基本思想 按人們通常的思維方式，將各種實體抽象為各類“對象”，并將數(shù)據(jù)和操作（方法）封裝在一起。整個系統(tǒng)

9、只由對象組成，對象之間通過“消息”進行聯(lián)系。使系統(tǒng)很容易重組和擴充。2、相關(guān)概念對象（Object)：實體的抽象（基本元素），封裝了數(shù)據(jù)和操作集的實體。消息（Message）：請求對象執(zhí)行某一操作或回答某些信息的要求。,類：描述一組對象的共同特征。類和實體是抽象與具體的關(guān)系。3. 對象的性質(zhì)封裝：,繼承：某類對象可以自然地擁有另一類對象的某些特征和功能。不必重復(fù)實現(xiàn)，減少代碼。,§4.4 空間數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計與物理

10、設(shè)計,一、邏輯設(shè)計從概念模型導(dǎo)出特定的DBMS所支持的數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。,二、物理設(shè)計從邏輯模型出發(fā)，研制出一個有效的可實現(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)。步驟：（1）存儲記錄的格式設(shè)計（2）存儲方法設(shè)計（3）訪問方法設(shè)計（4）完整性、安全性考慮（5）應(yīng)用設(shè)計（6）形成物理設(shè)計說明書,§4.5 GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫,一、概述時間、空間的不可分割性：環(huán)境監(jiān)測、地籍管理….辦法：加入時間維－>四維數(shù)據(jù)（時空一體）二、時

11、空一體化數(shù)據(jù)模型,1. 時間片快照模型用一系列瞬時的地理數(shù)據(jù)來反應(yīng)地理現(xiàn)象的時空演化過程（矢量快照，柵格快照）。如遙感圖像。缺點：數(shù)據(jù)完全存儲，冗余度大。,2. 底圖疊加模型類似于地圖修訂方式。,思路：先確定空間數(shù)據(jù)初始狀態(tài)（底圖），再按適當(dāng)?shù)臅r間間隔記錄數(shù)據(jù)變化；通過疊加操作，以變化數(shù)據(jù)恢復(fù)各個時間片的狀態(tài)數(shù)據(jù)。每次疊加表示狀態(tài)的一次變化。,3. 時空合成模型思路：將每次獨立的疊加操作轉(zhuǎn)換為一次性的合成疊加。變化的累積形成最小變