空间数据管理库课件.ppt

1、 第四章第四章 空间数据管理库空间数据管理库4.1 数据和数据文件数据和数据文件4.2 数据库管理模型数据库管理模型4.3 空间数据库管理模型空间数据库管理模型4.4 空间索引空间索引4.1 数据和数据文件数据和数据文件GIS中常用自定义的数据文件来组织空间数据，常用的几种数据文件中常用自定义的数据文件来组织空间数据，常用的几种数据文件1、顺序文件、顺序文件Sequential File 最简单的文件组织形式最简单的文件组织形式顺序文件的存储结构顺序文件的存储结构顺序文件的查找顺序文件的查找 2、索引文件、索引文件 Index File 带有索引表的文件带有索引表的文件索引文件有数据文件和索引

2、表文件组成。索引文件有数据文件和索引表文件组成。索引表中存放记录的关键字和记录在文件中的位置。索引表中存放记录的关键字和记录在文件中的位置。多级索引。多级索引。 3、随机文件（、随机文件（Direct Access File）通过通过HASH函数把关键字转换为地址进行存取的文件。函数把关键字转换为地址进行存取的文件。4、倒排文件、倒排文件 （Inverted File ）地块号地块号 地貌类型地貌类型 坡度坡度 坡向坡向 利用现状利用现状 1 缓坡缓坡 5-10o 半阴半阴 林地林地 2 垣面垣面 15o 阳阳 牧地牧地 4 沟道沟道 15o 阴阴 牧地牧地 8 垣面垣面 3o 阳阳 农地农地

3、 9 宽梁顶宽梁顶 5o 阳阳 农地农地 10 缓坡缓坡 5- 10o 半阳半阳 林地林地 地貌类型倒排表地貌类型倒排表次关键字次关键字 地块号地块号缓坡缓坡 1，5，6，10垣面垣面 2，8陡坡陡坡 3，7沟道沟道 4宽梁顶宽梁顶 9 利用现状倒排表利用现状倒排表次关键字次关键字 地块号地块号农地农地 2，8，9林地林地 1，4，5，6，10牧地牧地 3，7 4.2 数据库管理模型数据库管理模型1、数据库及数据库管理系统、数据库及数据库管理系统1）数据库（）数据库（Data Base DB)2）数据库管理系统）数据库管理系统(Data Base Management System DBMS)

4、3）数据库系统（）数据库系统（Data Base System DBS）2、数据库中的数据模型、数据库中的数据模型数据库中的数据模型的三要素：数据库中的数据模型的三要素：1）数据结构）数据结构2）数据操作）数据操作3）数据的约束条件）数据的约束条件3、传统数据库系统的三种数据模型、传统数据库系统的三种数据模型1）层次模型）层次模型 树数据结构树数据结构2）网络模型）网络模型 图数据结构图数据结构3）关系模型）关系模型 表数据结构表数据结构80年代后已成为主导数据库年代后已成为主导数据库关系运算的两种类型：关系运算的两种类型：1）传统的集合运算）传统的集合运算主要包括并（主要包括并（UNION）

5、、交（）、交（INTERSECTION）、差）、差（DIFFERENCE）、笛卡尔积（）、笛卡尔积（PRODUCT）；）；2）专门的关系运算）专门的关系运算主要包括选择（主要包括选择（SELECT）、投影（）、投影（PROJECT）、连接）、连接（JOIN）、除（）、除（DEVICE）4、关系数据库的特点关系数据库的特点1）从应用的角度看关系模型的优点）从应用的角度看关系模型的优点（1）结构简单灵活，易理解，易维护；）结构简单灵活，易理解，易维护；（2）关系模型的数学基础和操作代数基础，即关系代数，关系表）关系模型的数学基础和操作代数基础，即关系代数，关系表演算；演算；（3）关系模型中的数据具

6、有对称性，使关系间查询可在正反两个）关系模型中的数据具有对称性，使关系间查询可在正反两个方向进行。方向进行。2）从应用的角度看关系模型的限制）从应用的角度看关系模型的限制（1）每个关系表中只有一种记录类型；）每个关系表中只有一种记录类型；（2）每个关系模式中属性个数固定，并要明确命名，不允许同名）每个关系模式中属性个数固定，并要明确命名，不允许同名属性存在；属性存在；（3）关系中的属性是不可分解的；）关系中的属性是不可分解的；（4）关系中不允许出现相同的记录；）关系中不允许出现相同的记录；（5）关系中记录的顺序（行），及属性的顺序（列）是无序的。）关系中记录的顺序（行），及属性的顺序（列）是无

7、序的。5、SQL查询语言查询语言SQL（Structure Query Language)是数据库查询语言，是数据库查询语言，1986年由美年由美国国家标准化协会（国国家标准化协会（ANSI American National Standards Institute），），国际标准化组织（国际标准化组织（ISO International Organization for Standardization)批准批准作为关系数据库查询标准语言作为关系数据库查询标准语言。自含式。自含式;嵌入嵌入式式 SQL提供的主要功能包括数据的定义、数据的操作、数据的控制及提供的主要功能包括数据的定义、数据的操作

8、、数据的控制及数据的查询。数据的查询。SELECT 的简单查询功能是对一个数据库表进行查询，以便选择表的简单查询功能是对一个数据库表进行查询，以便选择表中某些列或某些行。中某些列或某些行。数据的查询动词是数据的查询动词是SELECT1） SELECT 的简单查询功能的简单查询功能对数据库查询只涉及到一张表，查询的是选择符合条件的某些列或对数据库查询只涉及到一张表，查询的是选择符合条件的某些列或行。行。 SELECT语句的一般形式为：语句的一般形式为： ALL *SELECT DISTINCT 选择表选择表 FROM 基表名基表名 WHERE 条件表达式条件表达式 GROUP BY 列名列名1

9、HAVING条件表达式条件表达式 ORDER BY 列名列名1 ASC DESC对查询结果排序对查询结果排序选择形成的结果表选择形成的结果表按表达式对查询结果分组按表达式对查询结果分组集函数运算时集是否取消重复值集函数运算时集是否取消重复值所查询的表所查询的表查询条件查询条件2） SELECT 的连接查询功能的连接查询功能如对数据库进行查询涉及到几张表时，称连接查询。如对数据库进行查询涉及到几张表时，称连接查询。的两层意义的两层意义（1）表格的连接查询）表格的连接查询（2） 表格的关联查询表格的关联查询3） SELECT 的嵌套查询功能的嵌套查询功能SQL的嵌套查询是指在的嵌套查询是指在SQL

10、查询语句的查询语句的where功能中嵌入另一个功能中嵌入另一个SELECT查询子语句。查询子语句。6、面向对象的数据库管理系统、面向对象的数据库管理系统面向对象的数据库管理系统被称为第三代数据库系统，它吸取了面向对象的数据库管理系统被称为第三代数据库系统，它吸取了面向对象程序设计概念和思想。它支持面向对象的数据模型和传面向对象程序设计概念和思想。它支持面向对象的数据模型和传统数据库系统所有的数据库特征。统数据库系统所有的数据库特征。 7、客户、客户/服务器结构的数据库管理系统服务器结构的数据库管理系统 服务器的任务服务器的任务是为多个用户管理和维护一个独立的数据库；管理是为多个用户管理和维护一

11、个独立的数据库；管理并处理客户的请求；管理数据和系统的安全等。并处理客户的请求；管理数据和系统的安全等。 客户的任务客户的任务是提供用户界面；建立同服务器的连接；向服务器是提供用户界面；建立同服务器的连接；向服务器提交和接受请求；数据的输入输出及验证等。提交和接受请求；数据的输入输出及验证等。客户客户/服务器结构的数据库管理系统的特点服务器结构的数据库管理系统的特点是因为处理任务在客户是因为处理任务在客户和服务器分开，所以数据库与客户程序无关；数据库平台与工作和服务器分开，所以数据库与客户程序无关；数据库平台与工作站无关，减少网络负担（网络上只传请求和结果）站无关，减少网络负担（网络上只传请求

12、和结果） 其结构如下其结构如下PCPC网络网络服务器服务器数据库数据库8、分布式数据库管理系统、分布式数据库管理系统分布式数据库的特点：分布式数据库的特点：数据的物理分布性和逻辑整体性数据的物理分布性和逻辑整体性 数据物理上分布在不同结点上，但逻辑上有相数据物理上分布在不同结点上，但逻辑上有相关性；关性；分布的透明性分布的透明性 用户看来整个数据库是一个集中的数据库，不必关心数据的物理用户看来整个数据库是一个集中的数据库，不必关心数据的物理位置。位置。独立性独立性 系统的每个结点具有独立性，可有自己的系统的每个结点具有独立性，可有自己的DBMS，也可处理全局的应用。，也可处理全局的应用。全局性

13、全局性 系统的每个结点可对集中数据进行操作。系统的每个结点可对集中数据进行操作。分布式数据库的优点：分布式数据库的优点：提高资源的利用率；结构灵活易扩充；系统可靠不易瘫痪；提高资源的利用率；结构灵活易扩充；系统可靠不易瘫痪；费用低。费用低。分布式数据库的缺点：分布式数据库的缺点：数据冗余来提高处理效率。需要为用户提供统一的数据接数据冗余来提高处理效率。需要为用户提供统一的数据接口，目前无统一的模型。口，目前无统一的模型。分布式数据库管理系统结构分布式数据库管理系统结构 局部数据库局部数据库1局部数据库局部数据库2DBM DDBMPC1PC1PC1PC1DBM DDBM 4.3 空间数据管理系统

14、的模式空间数据管理系统的模式一、传统数据库管理系统管理一、传统数据库管理系统管理GISGIS数据的局限性数据的局限性1 1、从数据管理的角度看从数据管理的角度看GISGIS中数据的特点中数据的特点 数据量大，常要作查询，因此必需注意提高查询效率如建立索数据量大，常要作查询，因此必需注意提高查询效率如建立索引等；引等； 数据类型和关系复杂数据类型和关系复杂 常要记录拓扑关系；常要记录拓扑关系； GIS GIS数据厂具有非结构化特征，如描述线面状地物的长度不等；数据厂具有非结构化特征，如描述线面状地物的长度不等；数据要嵌套；一个对象可能包含多个对象。数据要嵌套；一个对象可能包含多个对象。关系数据库

15、必需符合关系数据库范式的要求，为规范化，对数据关系数据库必需符合关系数据库范式的要求，为规范化，对数据要进行分解。要进行分解。2 2、关系模型描述空间数据存在的问题、关系模型描述空间数据存在的问题关系数据库是建立在关系模型基础上，存在的主要缺点：关系数据库是建立在关系模型基础上，存在的主要缺点： 数据类型少数据类型少 不支持抽象数据类型。关系数据库不能定义几何数不支持抽象数据类型。关系数据库不能定义几何数据类型（点，线，面）和空间操作算子（相交，包含等），无法完据类型（点，线，面）和空间操作算子（相交，包含等），无法完成地理意义上的分析查询；成地理意义上的分析查询； 关系表形式缺乏语义表达能力

16、，即语义贫乏关系表形式缺乏语义表达能力，即语义贫乏 。它表达实体和实。它表达实体和实体间关系只能在表内，或通过公共值的跨表连接（效率低）实现。体间关系只能在表内，或通过公共值的跨表连接（效率低）实现。 缺乏构造复杂对象的能力。缺乏构造复杂对象的能力。以记录为单位的数据模型不能很好的以记录为单位的数据模型不能很好的面向对象，不能嵌套和递归地描述复杂关系的层次和网络结构；面向对象，不能嵌套和递归地描述复杂关系的层次和网络结构； 图形数据涉及的坐标、属性、拓朴关系用表格表示使问题显得复图形数据涉及的坐标、属性、拓朴关系用表格表示使问题显得复杂化。杂化。 二、空间数据管理系统的模式的类型二、空间数据管

17、理系统的模式的类型1、全文件管理系统、全文件管理系统将属性数据和空间数据均放在文件系统中进行管理，将属性数据和空间数据均放在文件系统中进行管理，特点是厂商可根据自己要求定义文件格式，管理数据；特点是厂商可根据自己要求定义文件格式，管理数据； 有利于存储非结构化不定长数据。有利于存储非结构化不定长数据。缺点：不利于数据共享和查找，如系统开发者要编写程序实现数缺点：不利于数据共享和查找，如系统开发者要编写程序实现数据的更新、查询；据的更新、查询； 图形用数据文件存储，属性用关系数据库表存储。图形用数据文件存储，属性用关系数据库表存储。两者通过标识符相联结，这种方式实际上不能建立真正意义上的空间数据

18、库。两者通过标识符相联结，这种方式实际上不能建立真正意义上的空间数据库。这是传统这是传统GIS所用的方式。如所用的方式。如arcinfo ,mapinfo地物地物ID 坐标点系列坐标点系列 地物地物ID 属性属性1 属性属性2 ID1 ID1 ID2 ID2优点：文件和关系数据库混合应用，优点：文件和关系数据库混合应用，空间数据可用不定长文件格式记录；空间数据可用不定长文件格式记录；缺点：由于查询通过缺点：由于查询通过ID将属性数据和图形数据联系起来，将属性数据和图形数据联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢；使查询运算，模型操作运算速度慢； 数据分布和共享困难；数据分布和共享困难；因属性数

19、据和图形数据分开存储，数据一致性维护困难因属性数据和图形数据分开存储，数据一致性维护困难，即数据的一致性、完整性、安全性差，即数据的一致性、完整性、安全性差；缺乏表示空间对象及其关系的能力。缺乏表示空间对象及其关系的能力。缺点缺点图形和属性各自独立，数据一致性维护困难；综合查询效率低；数据的分布式共图形和属性各自独立，数据一致性维护困难；综合查询效率低；数据的分布式共享困难；缺乏表示空间对象及其关系的能力。享困难；缺乏表示空间对象及其关系的能力。 用户界面用户界面高级语言高级语言 ODBC空间数据管理空间数据管理属性数据管理属性数据管理属性数据库属性数据库2、基于文件和关系数据库混合系统（、基

20、于文件和关系数据库混合系统（Hybrid model)文件文件用户界面用户界面空间数据管理空间数据管理属性数据管理属性数据管理文件文件属性数据库属性数据库 3、基于全关系型数据库系统管理、基于全关系型数据库系统管理全关系型数据库系统管理中将图形数据和属性数据统一存储在通用关系数据库中，全关系型数据库系统管理中将图形数据和属性数据统一存储在通用关系数据库中，其实质是将图形文件转成关系存放在目前大部分关系型数据库提供的二进制块中。其实质是将图形文件转成关系存放在目前大部分关系型数据库提供的二进制块中。优点：在全关系型数据库中加入了二进制数据块形式可提高查询速度；优点：在全关系型数据库中加入了二进制

21、数据块形式可提高查询速度；便于数据的维护；便于数据的维护；缺点：不定长记录造成存储效率的下降；缺点：不定长记录造成存储效率的下降；实现实现SQL查询要附加接口；因此它只适用于功能简单的查询要附加接口；因此它只适用于功能简单的GIS。4、基于面向对象型数据库系统、基于面向对象型数据库系统面向对象型空间数据库管理系统最适合空间数据的表达和管理，它不仅支出边长面向对象型空间数据库管理系统最适合空间数据的表达和管理，它不仅支出边长记录，还支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。此外，面向对象数据库管理系统记录，还支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。此外，面向对象数据库管理系统允许定义合适的数据结构和数据操作。

22、允许定义合适的数据结构和数据操作。但面向对象型空间数据库管理系统不支持但面向对象型空间数据库管理系统不支持SQL语言，在通用性上受局限。语言，在通用性上受局限。目前已有一些面向对象型空间数据库管理系统及少量面向对象型空间数据库目前已有一些面向对象型空间数据库管理系统及少量面向对象型空间数据库GIS系统，但由于面向对象型空间数据库管理系统还不够成熟，价格又昂贵，目前在系统，但由于面向对象型空间数据库管理系统还不够成熟，价格又昂贵，目前在GIS领域还不通用。领域还不通用。5、基于对象、基于对象-关系型数据库系统关系型数据库系统(Extended Model)优点：优点：解决了空间数据的变长记录管理

23、，使数据管理效率大大提高；解决了空间数据的变长记录管理，使数据管理效率大大提高；空间和属性之间联结有空间数据管理模块解决，空间数据查询速度空间和属性之间联结有空间数据管理模块解决，空间数据查询速度快。快。不仅有操作关系数据的函数，还有操作图形的不仅有操作关系数据的函数，还有操作图形的API函数。函数。缺点：缺点：空间数据对象还不能有用户任意定义，使用受一定限制。空间数据对象还不能有用户任意定义，使用受一定限制。如如Oracle在其数据库中加入了在其数据库中加入了Spatial Ware组件，以支持空间数据；组件，以支持空间数据；Informix为用户定义数据类型提供了为用户定义数据类型提供了D

24、ata Blade插件。插件。用户界面用户界面对象对象-关系型数据库系统关系型数据库系统空间数据空间数据属性数据属性数据4.4 空间索引空间索引空间索引是指用于解决对图形数据检索。空间索引是指用于解决对图形数据检索。1）包络线索引）包络线索引 包络线索引实质是无索引文件的一种图形检索方法。对所击点的包络线索引实质是无索引文件的一种图形检索方法。对所击点的图，通过判别是在那个包络线矩形之内，基本决定其位置。图，通过判别是在那个包络线矩形之内，基本决定其位置。一次判别一次判别一次判后再进一步一次判别一次判后再进一步一次判别 2）基于四叉树的格网索引）基于四叉树的格网索引 空间索引空间索引 0 1

25、4 5 16 17 20 21 空间对象空间对象 代码代码 2 3 6 7 18 19 22 23 A 3 8 9 12 13 24 25 28 29 B 13 10 11 14 15 26 27 30 31 B 15 32 33 36 37 48 49 52 53 B 24-27 34 35 38 39 50 51 54 55 B 37 40 41 44 45 56 57 60 61 B 48 42 43 46 47 58 59 62 63 C 35 C 40-42 D 61CADB3) R树和树和R+树空间索引树空间索引 R树空间索引树空间索引 R+树空间索引树空间索引 A123A BB45671 2 3 4 5 6 7 AB12543a 3bA B1 2 3a 3b 4 5 4) CELL树索引树索引CELL树采用凸多边形作为划分窗口树采用凸多边形作为划分窗口