1、土地信息系统,主讲人：齐跃普,第四章 土地数据库,第一节 数据库概述第二节 土地信息的概念数据模型第三节 空间数据库设计第四节 土地信息的数据结构第五节 数据库管理系统第六节 数据仓库第七节 数据库系统的运行与保护,第一节 数据库概述,一、数据库的基本概念 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。 空间数据库：建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，
2、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。土地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。,计算机对数据的管理经过了三个阶段 ： 1. 程序管理阶段 2. 文件管理阶段 3. 数据库管理阶段,数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；空间数据库管理系统则是指能够对存储的地理空间数据进行语义和逻辑定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够
3、对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。,空间数据库的数据库应用系统是由土地信息系统的空间分析模型和应用模型所组成的软件，它是为了满足用户数据处理需求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。,二、数据库的主要特征 能够减少空间数据存储的冗余量； 提供稳定的空间数据结构； 满足用户对空间数据及时访问的需求，并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果； 在数据元素间维持复杂的联系，以反映空间数据的性； 支持多种多样的决策需要，具有较强的应用适应性； 应用程序对数据资源的共
4、享； 数据独立性； 统一管理，能够用一个软件统计管理这些数据。,三、数据库的系统结构,概念模式是数据库的总框架，是对数据库中关于目标存储的逻辑结构和特性、基本操作和目标与目标以及目标与操作的关系和依赖的描述，以及对数据的安全性，完整性等方面的定义。,外模式亦称子模式，是数据库用户的数据视图。它属于概念模式的一部分，描述用户数据的结构、类型、长度等。,内模式亦称存储模式，是对数据库在物理存储器上具体实现的描述。它规定数据在存储介质上的物理组织方式，记录寻址技术，定义物理存储块的大小、溢出处理方法等。,四、空间数据库的数据模型 &n
5、bsp;数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作，是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示，以抽象的形式描述和反映一个部门和系统的业务活动和信息流程。,选择和建立数据模型的目的是用最佳的方式反映本部门的业务对象及信息流程和以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口。数据结构、数据操作和数据约束条件是数据模型的三要素。实体是可以相互区别而又可以被人识别的事、物、概念的统称，有具体的，也有抽象的；有物理上存在的，也有概念性的。实体的属性是指描述实体的若干特征。联系指实体与实体之间会有各种关系码指唯一标识实体的属性集域指属性的
6、取值范围。,第二节 数据库系统的数据模型,土地信息系统的开发和应用需要经历一个由现实世界到概念世界，再到计算机信息世界的转化过程。,概念模型：对土地现象和过程等客体的特征描述、关系分析和过程模拟等。,逻辑模型：概念模型结构转化为计算机数据库系统所能够支持的数据模型，反映了数据的逻辑结构。,存储模型：概念模型反映到计算机物理存储介质中的数据组织形式。,一、层次模型 构建： 用树状结构来表示实体之间联系的模型称为层次模型。它是以结点来表示数据库中的记录类型的有向树。,特点： 有且仅
7、有一个结点无父结点，即根结点； 除根结点之外，所有结点有且仅有一个父结点。 层次模型的优点是容易理解；缺点是不能直接表示实体之间多对多（m : n）的联系。,二、网络模型 构建： 网络模型就是用网络结构来表示实体之间联系的模型。,特点： 可以有零个或多个结点无父结点； 至少有一个结点有多于一个父结点； 允许两个结点之间有两种或多种联系。 &nbs
8、p; 网状模型较层次模型扩充了实体之间联系的限制，可以较灵活表示实体之间的多种关系，对确定的数据表示效率较高，数据冗余也较小，适合于表示关系较复杂的地理数据和具有网络状特征的地理实体，但网状模型的数据指针比较复杂，数据更新也较繁琐。,三、关系模型 基本概念： 关系数据模型是一种数学化模型，它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表中的元素，这种表就称为关系。关系的集合就构成为关系模型。,点,关系模型应满足下列条件：（1）表中的每一列属性都是不能再分的基本字段；（2）各列被指定一个相异的名字；（3）各行（记录）相异，
9、不允许重复；（4）行，列次序无关。,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,四、面向对象数据模型 1传统数据模型的弱点： 以记录为基础，不能很好地面向用户和应用； 不能以自然的方式表示实体之间的联系； 语义贫乏； &
10、nbsp; 数据类型太少，难以满足应用需要。,2面向对象数据模型： 面向对象数据模型吸取了传统数据模型以及其他几种非传统数据模型（如E-R模型、语义模型）的优点，利用几种数据抽象技术：分类、概括、联合、聚集和数据抽象工具继承和传播，采用对象联系图描述其模型的实现方法，使得复杂的客观事物变得清楚易懂，所以它能有效地既表达几何数据，又表达属性数据。,类是具有相同属性结构和操作方法的对象的集合。是对一组对象的抽象描述，它将该组对象所具有的共同特征集中起来，以说明该
11、组对象的能力和性质。对象与实体一样是客观世界中客体的一种抽象的描述，它由客体的数据和对数据的操作组合而成。消息是对象之间相互请求或相互协作的唯一途径。消息有公有和私有之分，公有和私有消息的含义是：如果一些消息都属于同一个对象，其中有些是可由其它对象向它发送的，叫做公有消息。另外一些则是由它自己向自身发送的，就叫做私有消息。方法是对象的所有操作，如对对象的数据进行操作的函数，指令、例程等。,3面向对象数据模型的特性： 抽象性抽象是对现实世界的简明表示； 封装性将方法和数据放于一个对象中，以使对数据能通过该对象本身的方法来进行； &
12、nbsp;多态性同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式； 重载性意味着实现特定功能的方法不仅以名称来区分，而且还可以用它所带的参数来区别； 继承性是现实世界中对象之间的一种独特关系，它使得某类对象可以自然地拥有另外一类对象的某些特征和功能； 概括性是把一组具有相同特征和操作的对象类归纳在一个更一般的超类中； 聚集性 反映了嵌套对象的概念，嵌套对象是由一些其它对象组成的，它是用来描述更高层次对象的一种形式。,4. LIS中的面向对象模型
13、; LIS的面向对象的数据结构中，通常把空间数据抽象为点、线和面三种简单的地物类型，作为三种简单对象。 一个土地实体可以由三种简单地物类型对象之一构成，复杂的土地实体可以由多种简单对象构成。,5. 时空数据库模型 如果土地信息系统具有支持时间的功能，它可以将时间变量加入到土地信息系统空间分析过程中去，那么它会有更大的应用范围。 时空复
14、合操作，可以将空间分析的问题进一步拓展为时空分析的范畴，这是土地信息系统的重要组成部分和未来发展的趋势。 时空土地信息系统是一种四维（X，Y，Z，T）或（S，T）的信息系统，其中（X，Y，Z）或（S）表示空间数据，（T）表示时间，这是一种具有时空复合分析功能和多维信息可视化的系统。它主要研究时空数据模型，即时空数据的表示、存储、操作、查询、更新、时空分析和可视化等。,第三节 空间数据库的设计,空间数据库的设计问题，其实质是将空间客体以一定的组织形式在数据库中加以表达的过程。数据库的设计过程包括以下几个典型步骤，即概念设计、逻
15、辑设计和物理设计。,现实世界,信息世界,计算机世界,数据库设计的内容,第四节 土地信息的数据结构,数据结构定义： 指数据之间的逻辑结构和物理结构以及这两种结构之间的关系和建立在结构定义上的相应的运算。 它是对空间数据逻辑关系的表示，是对空间数据的组织方式。,数据结构类型： 矢量数据结构、栅格数据结构和矢量栅格一体化数据结构。（前两者为基本类型）,一、空间数据的拓扑关系1.空间拓扑要素的类型1）空间要素的种类 点：表示点状地物，比如小比例尺图中的居民点、建筑物、桥梁
16、、井位等等。 线：表示公路、铁路、河流等线状地物。 面：表示一个行政区、土地分类的一个区域、一种土壤类别的区域等等。土地信息系统中的“面”被视为一个封闭的区域。2）拓扑要素的种类 图斑：由几个弧段组成的多边形。一个首尾相接的弧段组成的，被另一个面包围的面称为岛。 弧段：两个结点之间的曲线（或折线）。 结点：三条以上曲线（或折线）汇集的点。,点实体,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,线实体,香港城市道路网分布,面实体,中国土地利用分布图（不连续面）,起点,终点,中间点,弧段1,弧段3,弧段2,弧段4,结点
17、:,图斑:,弧段:,2.拓扑关系的概念 为了真实准确地反映一幅图件所提供的空间信息，仅仅表述每个点的坐标位置是不够的，还要表述空间要素间的相互关系。 反映图件要素空间上相关性的关系称为拓扑关系（Topology）。 拓扑关系表示各类空间实体之间的空间联系。 拓扑信息不研究地物的大小、位置、形状和属性，而是考虑地物之间的相互关系。 空间拓扑关系对于土地空间数据的编码、录入、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是土地信息系统区别于一般信息系统的
18、特色之一。,3.拓扑关系的类型1）拓扑邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。如结点与结点之间的关系、图斑与图斑之间的关系等。实际应用中可表示地块之间、宗地之间、街区之间、土壤类型之间等的邻接关系。2）拓扑关联：指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。如结点与弧段之间的关系、弧段与图斑之间的关系等。实际应用中表示线状地物与面状地物、点状地物与面状地物等之间的关系。3）拓扑包含：指面与面之间包含与被包含关系。如地类的大图斑与其内部插花地小图斑之间的关系。,空间拓扑关系表达关系表,表2-1 面域与弧段的拓扑关系面 域弧 段 P1a, b, c, -gP2b, d,
19、 fP3c, f, eP4g,表2-2 结点与弧段的拓扑关系结 点弧 段N1a, c, eN2a, d, bN3d, e, fN4b, f, cN5g,表2-3 弧段与结点的拓扑关系弧 段结 点aN1 , N2bN2 , N4cN4 , N1dN2 , N3eN3 , N1fN3 , N4gN5 , N5,表2-4 弧段与面域的拓扑关系弧段 左邻面 右邻面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1P4,表示关联,表示关联,表示关联,表示邻接和关联,二、栅格(Raster/Grid)数据结构 1.栅格数
20、据的概念: 又叫网格结构。 栅格数据结构实际就是像元(像素pixel)阵列，每个像元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在网格文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在网格文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。 栅格数据结构的像元阵列中，每个像元的行列号确定位置，用像元值用来表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。
21、 栅格结构表示的地表是不连续的，是近似离散的数据，地表被分成相互邻接、规则排列的矩形方阵。,点,线,面,2.空间要素的栅格数据结构：点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。,3.栅格数据结构的特点,1）离散的量化栅格值表示空间对象2）位置隐含,属性明显3）数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大4）几何和属性偏差5）面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系,4.栅格数据的获取方法,(1)手工网格法：在专题图上手工绘网格，赋属性；(2)扫描数字化法：用扫描仪扫描地图，重采样和再编
22、码；(3)分类影像输入法：解译的遥感影像数据；(4)数据结构转换法：将数字化的矢量化地图，再转换为栅格数据。,5.栅格数据的取值方法即栅格结构数据中混合像元的处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,6.栅格数据结构的编码方法,直接栅格编码链式编码游程长度编码块状编码四叉树编码八叉树编码,1)直接栅格编码,直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，
23、3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2)链式编码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,编码： 2，2 ，6 ，7，6，0，6，5,链式编码示例,起点行列数,相邻像元的单位矢量方向,3)游程长度编码,只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录
24、 该代码以及相同代码重复的个数；,沿行方向进行编码：( 0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,代码值,代码个数,逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：( 1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）
25、；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4)块状编码,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。,（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（
26、5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,5)四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n>1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表
27、示各子区的代码。 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度, ,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0
28、; 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,四叉树编码实例,6)八叉树编码,八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域(即将一个六面的立
29、方体再分解为八个相同大小的小立方体)，同区域的属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题。,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,几种栅格编码方法的比较,7.栅格数据的类型 1)卫星遥感影像； &nb
30、sp; 2)航空摄影照片； 3)专题数字影像（DEM等）； 4)普通数字影像。,三、矢量数据结构1.矢量数据结构的定义：是通过记录坐标的方式，来表现点、线、面地理实体位置及关系的数据结构。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。,2.矢量数据结构编码的基本内容,矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。,点：空间的一个坐标点；线：多个点连成的折线段或弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形
31、；,点实体,线实体,面实体,多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。,唯一标识码,线标识码,起始点,终止点,坐标对序列,显示信息,非几何属性,线实体,3.矢量数据编码,实体式编码索引式编码双重独立式编码链状双重独立式编码,1）实体式（面条结构）,多边形 数据项A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)B(x1,
32、y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19)E(x5,y5),(x1
33、8,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5),特点：公共边重复数字化；缺少多边形邻域等拓扑关系；岛为孤立图形，没有与外界的关系。,2）索引式,线与多边形之间的树状索引,特点：消除相邻多边形边界的数据冗余和一致；数据量大时索引困难。,3）双重独立式DIME(Dual lndependent Map Encoding),这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件,4）链状双重独立式,链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示
34、，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 在链状双重独立数据结构中，主要有三个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件。,弧段文件弧段号起始点终结点左多边形右多边形a51OAb85EAc168EBd195OEe1519ODf1516DBg115OBh81ABi1619DEj3131BC,链状双重独立式,多边形文件多边形号弧段号周长 面积 中心点坐标Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b,弧段坐标文件弧
35、段号点 号a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19f15,16,g1,10,11,12,13,14,15h8,9,1i16,19j31,30,29,28,27,26,25,24,31,4.矢量数据结构的属性数据表达,属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记录号实现。,5.矢量数据结构的特点,用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系
36、面向目标操作，精度高，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合输出图形质量好，精度高,四、两种数据结构的比较与转换,1.两者的优缺点,栅格数据,优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大地图输出不美观难以建立网络连接关系,2.栅格数据与矢量数据相互转换,矢量数据向栅格数据转换栅格数据向矢量数据转换,栅格化,矢量化,第五节 数据库管理系统,数据库管理系统的主要功能包括：数据库定义、数据库管理、数据库维护、数据库通讯等几个方面。,一、数据库定义 数据库定义是通过数据库提供的数据描述语言实现的，描述语言用来定义数
37、据库的逻辑结构、数据库的结构框架、定义数据级、建立记录类型、定义记录间的关系、制定安全性控制要求、指定数据完整性控制设备等。,二、数据库维护 对数据库的维护功能主要是指系统应具有对数据库重新定义、数据重新组织、性能监督和分析以及对数据库整理和发生故障时恢复运行能力。,三、数据库通讯 通讯功能是指数据库系统具备与操作系统的接口处理，与各种语言的接口以及与远程操作的接口处理等。,第六节 数据仓库,一、数据仓库 数据仓库定义为面向主题的、集成的、历史的、稳定的、支
38、持管理决策过程的数据集合。 具有四个特点： （1）主题与面向主题； （2）集成的数据； （3）数据是持久的； （4）数据是随时间不断变化的。,二、元数据元数据是关于数据的数据，它描述了数据仓库的数据和环境。分为管理元数据和用户元数据。管理元数据是对源数据及其内容、数据仓库主题、数据抽取转换及各种操作信息的描述。用户元数据是为了帮助用户查询信息、了解数据的组
39、织和结构。,三、数据字典 数据字典是对所有与系统相关数据元素的一个有组织的列表，以及精确的严格的定义，使得用户和系统分析员对输入、输出、存储成分甚至中间计算有共同的理解。 数据字典是对整个空间数据库的总体和详细的小结。,数据字典的内容 数据字典实际是数据库的元数据，它描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。 包括： 数据库的总体组织结构； 数据库总体设计的框架； 各数据层的详细内容定义及结构； &nbs
40、p; 数据命名的定义； 元数据的内容等。,第七节 数据库系统的运行与保护,一、数据库系统运行 土地信息数据库系统有两种运行模式： （1）人机交互方式； 数据库与用户程序之间的联系靠逻辑接口来实现，用户程序与菜单之间的联系是靠用户接口实现。 （2）批处理方式。 数据库系统的各项功能可以编制各种批处理程序，来完成一系列特定任务。,二、数据库系统安全保护 1.对用户规定使用权限； 普通用户、专门用户和系统管理员。 2.对数据进行逻辑检查； 入库的数据项要有逻辑上的合理性和一致性。 3.对并发操作要做适当处理。 密码封锁、程序保护。,
