空间数据库技术应用电子教材-认识空间数据库.docx

认识空间数据库1 .空间数据管理的必要性空间数据是指以地球外表空间位置为参照的自然、社会、人文、经济数据，可以是图形、 图像、文字、表格和数字等。它所表达的信息就是空间信息，反响空间实体的位置以及与该实 体相关联的各种附加属性的性质、关系、变化趋势和传播特性等。空间数据具有定位、定性、时间和空间关系等特点。定位是指在的坐标系里空间目 标都具有唯一的空间位置；定性是指有关空间目标的自然属性，它与目标的地理位置密切相 关；时间是指空间目标是随时间的变化而变化的；空间关系通常用拓扑关系来表示。GIS作为一种采集、存储、管理、处理、分析、建模、显示和应用空间地理信息的计算机系 统，在国土资源、城乡规划、交通管理等多个领域正在发挥日益重要的作用。据统计，80%的行 业和部门所涉及的信息均与空间数据有关，因此必须对这些海量的空间数据进行有效管理。2 .关系数据库管理空间数据的局限性空间数据具有特殊性，除具有普通要素的属性特征外，还具有与坐标数据有关的空间位 置特征，假设直接利用传统的关系数据库管理系统存储和管理空间数据，那么会存在以下问题：（1）关系数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字或字符；但空间数据具有连 续性，且有很强的空间相关性。（2）关系数据库不能管理复杂的空间实体和实体间的空间关系。（3）关系数据库中存储的一般是等长记录的数据，而空间实体的位置信息是由变长的坐 标数据表示，具有变长记录。（4）关系数据库只支持文字、数字等信息的操作和查询，不支持复杂空间数据的查询和 分析。为解决以上问题，在关系数据库的基础上开展形成了空间数据库。3.空间数据库的概念空间数据库是指在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一 般是以一系列特定结构的文件形式存储在物理存储介质中。空间数据库是以描述地理实体的 空间位置和拓扑关系，以及属性特征为对象的数据库系统。具有以下特点：（1）存储和管理海量数据的能力。空间数据库面向的是整个地理空间，可以存储和管理 海量的地理空间数据，防止了由于数据量巨大而引起的“杂乱无章”。（2）支持复杂数据类型。空间数据库除支持传统关系数据库系统所支持的文本、日期、 数字等数据类型外，还支持所有与地理相关的数据类型，如点、线、面等。（3）支持空间查询和空间分析。空间数据库存储地理实体之间的拓扑关系，支持空间查 询和空间分析。（4）图形数据和属性数据联合管理。空间数据库将图形数据和属性数据存储在同一位置， 实行联合管理，以保证数据的完整性、一致性。（5）数据应用范围广泛。可应用在资源开发、环境保护、土地利用与规划、生态环境、 智能交通等需要空间数据支持的行业领域。空间数据库作为一种应用技术而诞生和开展起来，其目的是为了使用户能够方便灵活地 查询出所需的地理空间数据，能够进行地理空间数据的插入、删除、更新等操作。以地理空 间数据为存储和操作对象的地理空间数据库，把被管理的数据从一维推向了二维、三维甚至 更高维。因此，地理空间数据库系统必须具备对地理对象（大多为具有复杂结构和内涵的复 杂对象）进行模拟和推理的功能。4.空间数据管理的方法目前，空间数据管理的方法，主要有以下四种：（1）文件管理模式如图1所示，图形数据和属性数据都是通过一定格式的文件进行组织，图形要素与属性 记录之间通过关联字段进行关联，早期的GIS 一般采用这种方式。采用文件管理数据的优点是灵活，即每个软件厂商可以任意定义自己的文件格式，管理 各种数据，这一点在存储需要加密的数据以及非结构化的、不定长的几何体坐标记录时是有 帮助的。文件管理的缺点是：1）当数据量庞大，数据文件数以万计，数据管理效率和信息利用效 率受到限制，更新也很困难；2）不利于多用户协同工作，数据的平安性主要依靠操作系统来 保证，达不到确保数据合法使用的要求。目前，许多GIS软件采用文本格式文件进行数据存储，其目的是为了实现数据的转入和 转出，与其它应用系统交换数据。（2）文件数据库混合管理模式如图2所示，图形数据通过文件方式进行管理，而属性数据那么通过大型的商业关系数据 库系统进行管理，这是目前大多数GIS软件所采用的数据管理方案。采用这种管理方式时，空间数据利用文件进行管理；属性数据利用数据库进行管理；时 间数据由于是结构化的，也可以利用数据库进行管理。图1文件管理模式图1文件管理模式图2文件数据库混合管理模式（3）全关系数据库管理模式如图3所示，全关系空间数据库管理系统是指图形和属性数据都用现有的RDBMS管理。在 这种管理方式中，不定长的空间几何体坐标数据以二进制数据块的形式被关系数据库管理；换 言之，坐标数据被集成到RDBMS中，形成空间数据库。RDBMS的软件厂商不作任何扩展， 由GIS软件商在此基础上进行开发，使之不仅能管理结构化的属性数据，而且能管理非结构 化的图形数据。目前大局部关系数据库管理系统都提供了二进制块的字段域，以适应管理多 媒体数据或可变长文本字符。GIS利用这种功能，把图形的坐标数据当作一个二进制块，交由 关系数据库管理系统进行存储和管理；一个地理实体对应于数据表中的一条记录，防止了对 “连接关系”的查找。目前，关系数据库不管是理论还是工具，都已经成熟，它们提供了一致的访问接口（SQL） 以操作海量数据，并且支持多用户并发访问、平安性控制和一致性检查，这些正是构造企业 级地理信息系统所需要的。止匕外，通用的访问接口也便于实现数据共享。但由于几何体坐标 数据不定长，采用全关系数据库管理模式会造成存储效率低下；止匕外，现有的SQL并不支持 空间数据检索，需要软件厂商自行开发空间数据访问接口，如果要支持空间数据共享，那么要 对SQL进行扩展。（4）面向对象的数据库管理模式面向对象的数据库管理模式是基于面向对象的数据模型的，如图4所示。面向对象是模 拟人类认识客观世界的方式，将现实世界的一切事物或现象（或称为实体）模型化为对象或 对象的集合来表达。实体的静态特征（可以用数据来表达的特征）用对象的属性来表示；实 体的动态特征（事物的行为）用对象的方法来表示。1）对象对象是现实世界中实际存在的实体，是构成系统的基本单位，如一栋房子、一条河流， 或一名客户。一个对象由一组属性（如名称、度量值、分类等）和对这组属性进行操作的方 法构成。属性用来描述对象的静态特征，方法用来描述对象的动态特征。每个对象都有一个 标识号（ID）来唯一标识。2）类类是具有相同属性和方法的一组对象的集合，它为属于该类的全部对象提供了统一的抽 象描述，其内部包括属性和方法两个主要局部。类给出了属于该类的全部对象的抽象定义， 而对象那么是符合这种定义的一个实例。如每条河流均具有名称、长度、流域面积等属性以及查询、计算长度、求流域面积等操 作方法，因此可以抽象为河流类。3）继承一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅可以把父类 的特征传递给中间类，还可以向下传递给中间类的子类。例如，建筑物类具有业主、地址、 建筑时间等属性及显示、删除等（操作）方法，而酒店也属于建筑物，也具有以上属性和方法；因此，建筑物类是酒店类的父类，酒店类是建筑物类的子类；假设在建筑物类中定义了以 上属性和方法，那么酒店类会自动继承这些属性和方法，不需要重新定义。面向对象的数据模型不仅支持变长记录、而且支持对象嵌套、属性信息或操作的继承和 传播，允许用户定义对象和对象的数据结构(包括拓扑数据结构)及其操作等。图3全关系型数据库 管理模式图3全关系型数据库 管理模式图4面向对象空间数据库 管理模式5. GeoDatabase 数据模型Geodatabase数据模型的概念Geodatabase是一种基于关系数据库、采用面向对象技术来组织和管理空间数据的数据模型。Geodatabase中的数据对象就是逻辑数据模型中定义的对象(如建筑物、宗地和道路等)。Geodatabase数据模型无需编写代码，通过Arcinfo提供的域、验证规那么及其它功能可轻松实 现大局部自定义行为。(1) Geodatabase的层次结构Geodatabase数据模型包含3种空间数据表达方式：1)用矢量数据表达离散的空间要素(要素数据集)矢量数据用一组带有关联属性的有序坐标，精确简洁地表示要素的外形。这种表示方式 支持几何运算(如计算长度和面积、识别重叠和交叉、查找相邻或相近的其他要素)。Geodatabase基于层次结构组织空间数据，这些数据对象包括：要素数据集、要素类、对 象类和关系类。要素数据集(Feature Datasets)：共享空间参考系统的要素类的集合；要素类(Feature Classes)：具有相同几何类型和属性的要素的集合，包括：简单要素类 (Sample Feature Classes,点、线、多边形、注记)、拓扑要素类(Topological Feature Classes, 节点、边)等；对象类(Object Classes)：存储非空间数据的表(Table)；关系类(RelationshipClasses)：存储两个对象类或要素类中的实体间的关联关系的表。Geodatabase对象类关系类表格要素类关系要素类关系类图5 Geodatabase体系结构图2）用栅格数据表达影像、格网化专题数据、曲面（栅格数据集）像素是组成栅格的基本单元，它的值能描述多种数据。像素能够存储局部谱段的光反射 率，也能存储相片的颜色值，以及植被类型、外表值、高程值等专题属性。3）用不规那么三角网（TIN）表达曲面（TIN数据集）Geodatabase在存储TIN时，将其作为一个带有高程值的节点和带有边的三角形的整体来对 待。TIN所在的地理范围内的任意点的高程（或Z值）可以通过内插方法得到。Geodatabase要素数据集日:空间参考 I II要素数据集日:空间参考 I II栅格数据集翎栅格目录w类 注 面线点标 %匈71 口囚径寸 路尺 出I测量数据集总测量目录 且测量关系类号工具箱电济工具模型缪脚本几何网络gi拓扑行为缺省属性值 属性值取值域 分割/合并方针连通行规那么 关联规那么 拓扑规那么图6 Geodatabase模型结构CatalogCatalog具有地理数据的文件夹« Geodatabase将地理数据以要素集集或要素类来存贮。文件夹中的 geodatabase 是单用户 geo database 0具有简单几何形体类型的要素类 和表可以直接写 入 geodatabase或要素集中。要素类和对象类的行为可以通过定义规那么、扩展类或编写代码来实，一现。B栅格数据集表示的是图象或按规那么格网采样的数据。它可以是单波段的,也可以是多波段的。点要素类是具有点形体或多点形体的简单要素的集合O线要素类是具有折线几何形体的简单要素的集合O多边形要素类是具有多边形形体的简单要素的集合。对象类是具有一定行为的表。在它的矩阵中行表示对象，列表示屋性°要素集是具有共同空间参考系的要素类、表和关系类的集合。几何网络和网络要素类 都必须在要素集中。关 系类可以直接放到要素 集或 geodatabased o交汇点要素类包含那些参与几何网络的简单或复杂交汇点要 素°边线要素类包括参与几何网络的简单或复杂边线要素O几何网络定义那些共同形成一维网络的一蛆边线和交汇点要素 类O关联类是两个要素类中要素间的关系的集合O7 3据库连接文件夹允许你通过ArcSDE访问多用户geodatabaseo.2 当展开一个多用户geo database的时后，它将包含与单用户geo database相 同的数据集和要素类。图7 Geodatabase模型概述参考文献：1苏峰，黄正军.空间数据管理模式探讨J.天津工业大学，2003(8)： 140-1432陈国平.空间数据库技术应用M.武汉：武汉大学出版社，2013