空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫.ppt

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數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計算機科學(xué)技術(shù)的一個重要分支。自1968年第一個商品化的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IMS問世以來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)得到了迅速發(fā)展。隨著計算機應(yīng)用的不斷深入，數(shù)據(jù)庫的重要性日益被人們認識，它已成為信息管理、辦公自動化、計算機輔助設(shè)計等方面的主要手段。,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,一、數(shù)據(jù)庫的基本概念1、數(shù)據(jù)庫：（DataBase)是計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)資源的一種管理技術(shù)，是存儲在計算機內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集合。邏輯單位：從應(yīng)用的角度來觀察數(shù)據(jù)，是從數(shù)據(jù)與其所描述的對象之間的關(guān)系來劃分數(shù)據(jù)層次，一般可分為數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)項組、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。物理單位：數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上存儲單位，一般可分為位（比特）、字節(jié)、字、塊（物理記錄）和卷。,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,2、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem,DBMS)是一個幫助用戶建立、使用和管理數(shù)據(jù)庫的軟件系統(tǒng)，如ORACLE、SQL、DBASE、FoxBase/ForPro、Access等。,數(shù)據(jù)庫定義：全局邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、用戶數(shù)據(jù)庫定義、保密定義、信息格式定義。數(shù)據(jù)庫管理：系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)庫存取及更新管理、數(shù)據(jù)完整性及有效性控制、并發(fā)控制等。數(shù)據(jù)庫維護：數(shù)據(jù)庫建立、更新和數(shù)據(jù)庫重編、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)維護、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)以及性能監(jiān)視等。數(shù)據(jù)庫通信：與操作系統(tǒng)的聯(lián)機處理、具有分時系統(tǒng)及遠程作業(yè)控制的相應(yīng)接口及通信口。,,功能,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫5-1數(shù)據(jù)庫管理概述,3、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DataBaseSystem)是指計算機系統(tǒng)中引進數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)構(gòu)成。由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶所組成。也就是說數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由支持數(shù)據(jù)庫的硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)群體和管理人員構(gòu)成的計算機運行系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要組成部分。前者是以一定的組織方式存儲在一起的、相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合，是應(yīng)用程序利用數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)。后者是用以管理數(shù)據(jù)庫的軟件，以保證數(shù)據(jù)庫以最佳的方式、最少的重復(fù)和最快的速度為多種應(yīng)用服務(wù)。,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,二、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特征1、數(shù)據(jù)量大2、保存持久3、多用戶共享4、可靠性5、數(shù)據(jù)獨立性6、減少數(shù)據(jù)冗余7、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,三、數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展（一）、人工管理（二）、文件管理系統(tǒng),共享數(shù)據(jù)文件的文件處理系統(tǒng),第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,1、數(shù)據(jù)文件的類型數(shù)據(jù)文件按其數(shù)據(jù)組織方式可以劃分為簡單文件、順序文件和索引文件3類。2、文件系統(tǒng)的特點文件的應(yīng)用是計算機數(shù)據(jù)處理的重大進展。數(shù)據(jù)文件可以按名引用，應(yīng)用程序通過文件管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)文件發(fā)生聯(lián)系，數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)間有了簡單變換，簡化了程序員的數(shù)據(jù)管理工作。同時，一個應(yīng)用程序可以和幾個數(shù)據(jù)文件發(fā)生聯(lián)系，增加了數(shù)據(jù)處理的靈活性。存在問題：（1）數(shù)據(jù)冗余度大（2）相同數(shù)據(jù)間沒有一致的保護措施（3）應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)互相依賴（4）增加了程序的復(fù)雜性,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是在文件處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的系統(tǒng)，在用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件之間起到了橋梁作用。它的最大優(yōu)點是提供了兩者之間的數(shù)據(jù)獨立性，即應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)文件時，不必知道數(shù)據(jù)文件的物理存儲結(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)改變時，不必改變應(yīng)用程序。,,數(shù)據(jù)文件1,數(shù)據(jù)文件2,數(shù)據(jù)文件3,應(yīng)用程序1,應(yīng)用程序2,輸出1,輸出2,,,,,,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),,,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-1數(shù)據(jù)庫管理概述,優(yōu)點：（1）集中控制（2）數(shù)據(jù)可以共享（3）數(shù)據(jù)的獨立性（4）易擴充新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用（5）用戶直接訪問數(shù)據(jù)庫（6）冗余信息得到控制（7）多種用戶觀點缺點：（1）建立數(shù)據(jù)庫的費用較高（2）添加內(nèi)容時變得復(fù)雜（3）風(fēng)險集中化,第六章空間數(shù)據(jù)管理：空間數(shù)據(jù)庫6-2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)模型,根據(jù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的不同劃分為以下幾種數(shù)據(jù)庫模型：層次模型網(wǎng)絡(luò)模型關(guān)系模型分布式模型面向?qū)ο竽Ｐ?一、層次模型層次模型是數(shù)據(jù)處理中發(fā)展較早、技木上也比較成熟的一種數(shù)據(jù)模型。它的特點是將數(shù)據(jù)組織成有向有序的樹結(jié)構(gòu)。層次模型由處于不同層次的各個結(jié)點組成。除根結(jié)點外，其余各結(jié)點有且僅有一個上一層結(jié)點作為其“雙親”，而位于其下的較低一層的若干個結(jié)點作為其“子女”。結(jié)構(gòu)中結(jié)點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述位于不同結(jié)點數(shù)據(jù)間的從屬關(guān)系(限定為一對多的關(guān)系)。,原始地圖M,存在問題：1、由于層次結(jié)構(gòu)的嚴格限制，對任何對象的查詢必須始于其所在層次結(jié)構(gòu)的根，使得低層次對象的處理效率較低，并難以進行反向查詢。數(shù)據(jù)的更新涉及許多指針，插入和刪除操作也比較復(fù)雜。母結(jié)點的刪除意味著其下屬所有子結(jié)點均被刪除，必須慎用刪除操作。2、不能表達多對多聯(lián)系，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余度增加。3、數(shù)據(jù)獨立性較差。,層次數(shù)據(jù)庫將組織成一對多的關(guān)系結(jié)構(gòu)，特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構(gòu)等分級數(shù)據(jù)的組織。,地圖M的層次數(shù)據(jù)模型,二、網(wǎng)狀模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)模型的另一種重要結(jié)構(gòu)，它反映著顯示世界中實體間更為復(fù)雜的聯(lián)系，其基本特征是，結(jié)點數(shù)據(jù)間沒有明確的從屬關(guān)系，一個結(jié)點可與其它多個結(jié)點建立聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)模型用連接指令或指針來確定數(shù)據(jù)間的顯式連接關(guān)系，是具有多對多類型的數(shù)據(jù)組織方式，網(wǎng)絡(luò)模型將數(shù)據(jù)組織成有向圖結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中結(jié)點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述不同結(jié)點數(shù)據(jù)間的關(guān)系。,優(yōu)點：是可以描述現(xiàn)實生活中極為常見的多對多的關(guān)系，其數(shù)據(jù)存貯效率高于層次模型，但其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性限制了它在空間數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)模型在一定程度上支持數(shù)據(jù)的重構(gòu)，具有一定的數(shù)據(jù)獨立性和共享特性，并且運行效率較高。適用于數(shù)據(jù)間相互關(guān)系非常復(fù)雜的情況。問題：1、由于數(shù)據(jù)間聯(lián)系要通過指針表示，指針數(shù)據(jù)項的存在使數(shù)據(jù)量大大增加，當(dāng)數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜時指針部分會占大量數(shù)據(jù)庫存貯空間。2、修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，指針也必須隨著變化。因此，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中指針的建立和維護可能成為相當(dāng)大的額外負擔(dān)。,三、關(guān)系模型,關(guān)系數(shù)據(jù)模型示意圖,在層次與網(wǎng)絡(luò)模型中，實體間的聯(lián)系主要是通過指針來實現(xiàn)的，即把有聯(lián)系的實體用指針連接起來。而關(guān)系模型則采用完全不同的方法。關(guān)系模型是根據(jù)數(shù)學(xué)概念建立的，實體本身的信息以及實體之間的聯(lián)系均表現(xiàn)為二維表，這種表就稱為關(guān)系。一個實體由若干個關(guān)系組成，而關(guān)系表的集合就構(gòu)成為關(guān)系模型。關(guān)系模型不是人為地設(shè)置指針，而是由數(shù)據(jù)本身自然地建立它們之間的聯(lián)系，并且用關(guān)系代數(shù)和關(guān)系運算來操縱數(shù)據(jù)，這就是關(guān)系模型的本質(zhì)。,優(yōu)點：1、能夠以簡單、靈活的方式表達現(xiàn)實世界中各種實體及其相互間關(guān)系，使用與維護也很方便。關(guān)系模型通過規(guī)范化的關(guān)系為用護提供一種簡單的用戶邏輯結(jié)構(gòu)。所謂規(guī)范化，實質(zhì)上就是使概念單一化，一個關(guān)系只描述一個概念，如果多于一個概念，就要將其分開來。2、關(guān)系模型具有嚴密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和操作代數(shù)基礎(chǔ)——如關(guān)系代數(shù)、關(guān)系演算等，可將關(guān)系分開，或?qū)蓚€關(guān)系合并，使數(shù)據(jù)的操縱具有高度的靈活性；3、在關(guān)系數(shù)據(jù)模型中，數(shù)據(jù)間的關(guān)系具有對稱性，因此，關(guān)系之間的尋找在正反兩個方向上難度程度是一樣的，而在其它模型如層次模型中從根結(jié)點出發(fā)尋找葉子的過程容易解決，相反的過程則很困難。,四、面向?qū)ο竽Ｐ兔嫦驅(qū)ο蟮亩x是指無論怎樣復(fù)雜的事例都可以準確地由一個對象表示。每個對象都是包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實體，即是說，面向?qū)ο蟮哪Ｐ途哂蟹庋b性的特點。面向?qū)ο缶褪怯媚澄?對象),是什么(類),有什么(對象的狀態(tài)),能干什么(方法)的方式來描述程序的方法。1．面向?qū)ο蟮母拍睿?）對象與封裝性（Encapsulation）一個對象是由描述該對象狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)和表達它的行為的一組操作（方法）組成的。一個對象object可定義成一個三元組：object=（ID，S，M）其中，ID為對象標識，M為方法集，S為對象的內(nèi)部狀態(tài),（2）分類類是關(guān)于同類對象的集合，具有相同屬性和操作的對象組合在一起。屬于同一類的所有對象共享相同的屬性項和操作方法，每個對象都是這個類的一個實例，即每個對象可能有不同的屬性值。可以用一個三元組來建立一個類型：class=（CID，CS，CM)其中，CID為類標識或類型名，CS為狀態(tài)描述部分，CM為應(yīng)用于該類的操作。顯然有，S∈CS和M=CM當(dāng)object∈class時,（3）概括(Generalization）在定義類型時，將幾種類型中某些具有公共特征的屬性和操作抽象出來，形成一種更一般的超類。例如，將GIS中的地物抽象為點狀對象、線狀對象、面狀對象以及由這三種對象組成的復(fù)雜對象，因而這四種類型可以作為GIS中各種地物類型的超類。(4)繼承繼承是一種服務(wù)于概括的工具。在上述的概念中，子類的某些屬性和操作來源于它的超類，也就是說可以將超類的屬性和操作遺傳給子類及子類的子類。,（6）聯(lián)合(Association)在定義對象時，將同一類對象中的幾個具有相同屬性值的對象組合起來，為了避免重復(fù)，設(shè)立一個更高水平的對象表示那些相同的屬性值。（7）聚集(Aggregation)聚集是將幾個不同特征的對象組合成一個更高水平的對象。每個不同特征的對象是該復(fù)合對象的一部分，它們有自己的屬性描述數(shù)據(jù)和操作，這些是不能為復(fù)合對象所公用的，但復(fù)合對象可以從它們那里派生得到一些信息。例如，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物組成復(fù)雜地物。,,面向?qū)ο笃鋵嵤乾F(xiàn)實世界模型的自然延伸?，F(xiàn)實世界中任何實體都可以看作是對象。對象之間通過消息相互作用。另外，現(xiàn)實世界中任何實體都可歸屬于某類事物，任何對象都是某一類事物的實例?，F(xiàn)實世界中的對象均有屬性和行為，映射到計算機程序上，屬性則表示對象的數(shù)據(jù)，行為表示對象的方法（其作用是處理數(shù)據(jù)或同外界交互）。所謂封裝，就是用一個自主式框架把對象的數(shù)據(jù)和方法聯(lián)在一起形成一個整體?？梢哉f，對象是支持封裝的手段，是封裝的基本單位。繼承是指一個對象直接使用另一對象的屬性和方法。事實上，我們遇到的很多實體都有繼承的含義。例如，若把汽車看成一個實體，它可以分成多個子實體，如：卡車、公共汽車等。這些子實體都具有汽車的特性，因此，汽車是它們的"父親"，而這些子實體則是汽車的"孩子"。,6-3地圖數(shù)據(jù)模型總論,6.3.1地圖數(shù)據(jù)的基本組成空間定位1、空間數(shù)據(jù)空間量度空間結(jié)構(gòu)空間聚合專題屬性數(shù)據(jù)(土壤類型、土地利用)2、非空間數(shù)據(jù)質(zhì)量描述數(shù)據(jù)(名稱等)3、時間因素,,,6.3.2圖形數(shù)據(jù)的構(gòu)模面條模型1、失量數(shù)據(jù)模型拓撲模型網(wǎng)格系統(tǒng)2、面片數(shù)據(jù)模型多邊形系統(tǒng)6.3.3專題屬性數(shù)據(jù)的構(gòu)模常用的專題屬性數(shù)據(jù)構(gòu)模是關(guān)系數(shù)據(jù)模型,,,6.3.4、圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接,1、圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)分別管理2.對通用DBMS擴展以增加空間數(shù)據(jù)的管理能力3．屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)4．圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)自成體系,GIS中的數(shù)據(jù)大多數(shù)都是地理數(shù)據(jù)，它與通常意義上的數(shù)據(jù)相比，具有自己的特點：地理數(shù)據(jù)類型多樣，各類型實體之間關(guān)系復(fù)雜，數(shù)據(jù)量很大，而且每個線狀或面狀地物的字節(jié)長度都不是等長的等等。地理數(shù)據(jù)的這些特點決定了利用目前流行的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接管理地理空間數(shù)據(jù)，存在著明顯的不足，GIS必須發(fā)展自己的數(shù)據(jù)庫-空間數(shù)據(jù)庫。,6.3.5GIS中空間數(shù)據(jù)庫的組織方式,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的比較,,空間數(shù)據(jù)庫是一種應(yīng)用于地理空間數(shù)據(jù)處理與信息分析領(lǐng)域的的數(shù)據(jù)庫，它所管理的對象主要是地理空間數(shù)據(jù)(包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù))。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理地理空間數(shù)據(jù)的局限性：(1)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理的是不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符；而地理信息數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且具有很強的空間相關(guān)性。(2)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理的實體類型較少，并且實體類型之間通常只有簡單、固定的空間關(guān)系；而地理空間數(shù)據(jù)的實體類型繁多，實體類型之間存在著復(fù)雜的空間關(guān)系，并且還能產(chǎn)生新的關(guān)系(如拓撲關(guān)系)。(3)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存貯的數(shù)據(jù)通常為等長記錄的數(shù)據(jù)；而地理空間數(shù)據(jù)通常由于不同空間目標的坐標串長度不定，具有變長記錄，并且數(shù)據(jù)項也可能很大，很復(fù)雜。(4)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只操縱和查詢文字和數(shù)字信息；而空間數(shù)據(jù)庫中需要有大量的空間數(shù)據(jù)操作和查詢，如相鄰、連通、包含、疊加等。,6.3.5GIS中空間數(shù)據(jù)庫的組織方式,現(xiàn)行空間數(shù)據(jù)庫管理方案,基于文件與關(guān)系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)混合管理方案基于關(guān)系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案基于對象—關(guān)系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案。,,目前，大多數(shù)商品化的GIS軟件都不是采取傳統(tǒng)的某一種單一的數(shù)據(jù)模型，也不是拋棄傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，而是采用建立在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)基礎(chǔ)上的綜合的數(shù)據(jù)模型，歸納起來，主要有以下三種：,文件關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方案,屬性數(shù)據(jù)建立在RDBMS上，數(shù)據(jù)存儲和檢索比較可靠、有效；幾何數(shù)據(jù)采用圖形文件管理，功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面，比商用數(shù)據(jù)庫要遜色得多?？臻g數(shù)據(jù)分開存儲，數(shù)據(jù)的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件：Arc/Info，MapInfo，GenMap等,早期,GIS用戶界面,圖形處理,DBMS,,圖形文件庫,屬性數(shù)據(jù)庫,,,,,高級語言,ODBC協(xié)議,,,數(shù)據(jù)庫開發(fā),數(shù)據(jù)庫開發(fā),全關(guān)系式數(shù)據(jù)庫管理方案,屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時采用關(guān)系式數(shù)據(jù)庫進行管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)不必進行煩瑣的連接，數(shù)據(jù)存取較快屬間接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復(fù)雜的空間操作GIS軟件：System9，SmallWorld、Geovision等,對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理方案,對現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行擴展，增加空間數(shù)據(jù)類型解決了空間數(shù)據(jù)變長記錄的存儲問題，由數(shù)據(jù)庫軟件商開發(fā)，效率較高用戶不能根據(jù)GIS要求進行空間對象的再定義，因而不能將設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)進行存儲GIS軟件：TIGER，Geo++、GeoTropics等,,,