12 空间数据组织与管理.ppt

1、第5章 空间数据组织与管理,1,GIS定义？ 地理信息系统（Geographical Information System, GIS）是一种特定的十分重要的空间信息系统，它是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、模拟、分析、显示和描述的技术系统。 矢量数据模型与栅格数据模型 定义、特点、结构与编码方法存储到哪里？ 以何种方式来存储？ 如何来管理？,第5章 空间数据组织与管理,5.1 空间数据库概述 5.1.1 数据库概述 5.1.2 空间数据库 5.1.3 数据库中数据组织层次 5.1.4 数据间的逻辑联系 5.1.5

2、数据库的数据模型 5.2 空间数据管理 5.2.1 矢量数据的管理 5.3.2 栅格数据的管理,3,5.1.1 数据库概述,人工管理阶段 应用程序与数据之间的关系,1.数据管理技术的发展过程 1）人工管理阶段 数据不保存 应用程序管理数据 数据不共享 数据不具有独立性2）文件管理阶段 3）数据库管理阶段,2）文件管理阶段： 数据可以长期保存 由文件系统管理数据 数据共享性差，冗余度大 数据独立性差,文件系统阶段 应用程序与数据之间的关系,1.数据管理技术的发展过程,3）数据库管理阶段：由DBMS管理 1）数据结构化 2）数据的共享性高，冗余度低，易扩充 3）数据独立性较强 4）数据由DBMS统

3、一管理和控制,数据库系统阶段 应用程序与数据之间的关系,1.数据管理技术的发展过程,5.1.1 数据库概述,2. 建立数据库的目的： 为了保存数据，扩展人的记忆， 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。 3. 数据库定义： 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。数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。,7,返回,5.1.2 空间数据库,1. 空间数据库的定义 地理信息系统的数据库（空间数据库）：某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合。 空间数据库是存取、管理空间信息的数据库。,3.空间数据的特征,1）空

4、间特征2）非结构化特征3）空间关系特征4）多尺度与多态性5）分类编码特征6）海量数据特征,一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。组织,拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。 拓扑关系的构建,空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。,一般需要建立空间索引。,4.传统数据库与空间数据库的比较,返回,5.1.3 数据库中数据组织层次,分为四级：数据项、记录、文件和数据库。 1.数据项(元素/基本项/字段)：定义数据的最小单位 2.记录：由若干相关联的数据项组成。 3.文件：一给定类型的记录的全部具体值的集合。 4.数据库：若干文件的集

5、合。 数据库是具有特定联系的数据的集合，也可看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。,11,文件,数据库,返回,是指记录与记录之间的联系。 1、一对一的联系(1：1) 灌溉机井农田地块2、一对多的联系(1：N) 河流跨河桥梁3、多对多的联系(M：N) 农作物地理环境 学生课程,5.1.4 数据间的逻辑联系,12,返回,5.1.5 数据库的数据模型,传统数据模型： 层次模型 网状模型 关系模型 4. 面向对象的数据模型其中应用最广泛的是关系模型？,13,（1）层次数据库模型（Hierarchical Model）,是用树形结构来表示实体及实体间联系的模型，它将数据组织成一对多的联系，即一个父记

6、录对应多个子记录，而一个子记录只对应一个父记录。 层次关系，一对多,14,（1）层次数据库模型,优点： 存取方便且速度快 结构清晰，容易理解 数据修改和数据库扩展容易实现 检索关键属性十分方便 缺点： 结构呆板，数据独立性差 插入和删除操作复杂，必须慎用删除操作， 处理低层次对象效率低，难以进行反向查询 模拟多对多的联系时导致存储数据的冗余 不适合于拓扑空间数据的组织,15,（2）网络数据库模型（Network Model）,网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 。 没有明确的从属关系,16,（2）网络数据库模型,优点： 能明确而方便地表示数据间的

7、复杂关系,数据冗余小 具有一定的数据独立性和共享性 缺点： 网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。 需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大 数据的修改不方便（指针必须修改） 不支持层次结构的表达,17,（3）关系数据库模型（Relational Model）,关系模型是用二维表来表示实体及实体间联系的模型，它将数据组织成规范化的表格。一个实体由若干关系组成，关系表的集合就构成了关系模型。 表而非指针，关系代数和关系运算来操纵数据,18,二维关系表,（3）关系数据库模型,优点： 结构特别灵活，使用和维护方便 具有严密的数学基础和操作代数基础，正反查询方便 能搜索、组合和比较不同类型的数据

8、 增加和删除数据非常方便 缺点： 数据库大时，查找满足特定关系的数据耗费时间较多 为了用规范化关系描述复杂对象需进行不自然分解 对空间关系无法满足,19,标准DBMS存储空间数据的局限性,空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定 在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷 一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作 不能支持复杂的图形功能 单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持 难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护,20,（4) 面向对象数据库模型（Object Oriented

9、 Model）,面向对象（object-oriented，OO）的概念起源于程序设计语言面向对象的编程语言(简称OOPL)，强调对象概念的统一，引入对象、类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。 它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。 基本出发点：以对象作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。,21,1基本概念,对象：面向对象的基本单位。对象是一个拥有属性、行为和标识符的实体。对象是类的实例，对象的属性和行为在类定义中定义。如电视的属性有:品牌,尺寸,重量等.操作有:收视,选台,音量

10、调节等 类：是具有相同属性结构和操作方法的对象的集合。 消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。 方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。 实例：是由一特定类描述的具体对象。对象具有封装性、继承性和多态性，涉及到分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联合（association） 、继承（inheritance）和传播（propagation）等概念。,22,1基本概念,接口：是一个对象外部可见操作的集合。 封装：是指把对象的属性和行为封装在一起，并尽可能隐藏对象的内部细节的特征。封装技术提高了面向对象方法开

11、发软件的可重用性，从而大大提高了复杂软件的开发效率、质量和可靠性，更加易于维护。 继承：从某类对象得到另一类对象的特征和能力。如饭店子类从建筑物类继承地址、建筑日期等属性。引入类的继承，就出现了类的层次结构，也就有了超类（基类）、子类（派生类）的概念。 多态：多态性是指不同对象收到相同消息时产生不同的行为方式的特征。不同的对象，收到同一消息产生完全不同的结果，这种现象称为多态性。,23,比如汽车是一个类 那么宝马、红旗、解放等等就是这个类的对象 将轮子、方向盘、重量等这些属性和转弯、鸣喇叭等这些方法放到一个类里面就是封装 人开车要用方向盘、刹车等等，这些就是汽车这个类的接口 你用轿车的钥匙，开

12、动的就是轿车，用卡车的钥匙开动的就是卡车，这是多态性的体现 而轿车和卡车这两个类就是汽车这个类的继承,1基本概念,分类：是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。对象和类的关系是“实例”(instance-of)的关系。 概括：是将具有公共特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。子类与超类的关系是is-a的关系。 联合：是将同一类对象中的几个具有部分相同属性值的对象组合起来，形成一个更高水平的集合对象的过程。 例如一个县是由若干个乡镇联合而成。“成员“与“集合对象“是“成员“ (member-of)的关系。 聚集：是将几个不同类的对象组合成一个更

13、高级的复合对象的过程。例如建筑物是墙、窗、门、房顶和楼板几部分的聚集。“成分”与“复合对象” 是“部分”(partsof)的关系。 传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。例如西安市大学生数量可以由各个大学的学生数求和派生得到。,25,2面向对象的几何抽象类型,GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。,26,3面向对象的属性数据模型,GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。 如一个大学GIS的对象可分为建筑物、道

14、路、绿化、管线等几大类， 地物类型的每一大类又可以进一步分类， 如建筑物可再分成教学楼、实验楼、行政办公楼、图书馆、体育馆、教工住宅、学生宿舍、食堂、后勤服务建筑等子类， 管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等。,27,4面向对象数据库系统的实现方式,特点： 巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。 面向对象数据模型在表达和处理属性数据时，又具有许多独特的优越性。 三种实现方式： 扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性 扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性 建立全新的支持面向对象数据模型的OODB

15、MS,28,返回,5.2 空间数据管理,5.2.1 矢量数据的管理 5.2.2 栅格数据的管理,29,5.2.1 矢量数据的管理,对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分开组织的。 基于文件管理 文件与关系数据库混合管理 全关系型空间数据库管理 对象-关系数据库管理 面向对象空间数据库管理,30,1.基于文件管理,各个地理信息系统应用程序对应各自的空间和属性数据文件，当两个GIS应用程序需要的数据有相同部分时，可以提出来作为公共数据文件。 GIS软件：MapInfo 缺点： 1）程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之需要改变。 2）以文件形式共享，当多个程序共享一数据文

16、件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。不能达到真正的共享，即数据项、记录项的共享。,31,2.文件-关系数据库混合管理,两个子系统分别存储和检索空间数据和属性数据，使用一种标识符将两者联系起来 属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效； 缺点： 属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢； 数据分布和共享困难； 属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能； 缺乏表示空间对象及其关系的能力。 GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。,32,33,早 期,数据库开发

17、,数据库开发,3.全关系型空间数据库管理,图形数据与属性数据都采用关系型数据库存储。 本质： GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。 特点： 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快 属性间接存取效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作GIS软件：System9，Small World，Geovision等,34,全关系型数据库的本质,用RDBMS管理图形数据有两种模式： a、基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一系列关系连接运算，费时。 b、将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段（多

18、媒体或变长文本）。省去大量关系连接操作，但Binary Block的读写效率比定长的属性字段慢得多，特别涉及对象的嵌套时，更慢。,4.对象-关系数据库管理系统,扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据的变长记录的管理，由于由数据库软件商进行扩展，效率要比前面所述的二进制块的管理高得多。 许多数据库管理系统的软件商纷纷在关系数据库管理系统中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据，如Oracle 和Informix等都推出了空间数据管理的专用模块，定义了操纵点、线、面、圆、长方形等空间对象的API函数。用户不能根据GIS要求对其进行再定义，一般不带拓扑关系。 但是它仍然没有解决对象的嵌套

19、问题，空间数据结构也不能由用户任意定义，使用上仍然受到一定限制。 GIS软件：TIGER，Geo+、Geo Tropics等,36,GIS应用,空间数据管理的专用模块,商用DBMS,空间和属性数据库,扩充实体类型 （点、线、面、圆等）,5.面向对象空间数据库管理,面向对象的空间数据库管理系统允许用户定义对象和对象的数据结构及操作。这样，我们可以将空间对象根据GIS的需要，定义出合适的数据结构和一组操作。 面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。 当前已经推出了若干个面向对象数据库管理系统，也出现一些基于面向对象的数据库管理系统的地理信

20、息系统，但由于面向对象数据库管理系统还不够成熟，价格又昂贵，目前在GIS领域还不太通用。 相反基于对象-关系的空间数据库管理系统是目前GIS空间数据管理的主流。,37,5.2.2 栅格数据的管理,影像数据和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM） 三种方式 基于文件的影像数据库管理 文件结合数据库影像管理 基于关系数据库管理,38,1.文件管理方式,目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是采用文件方式来管理遥感影像数据。 缺点： 大量的图像元数据信息（如图像类型、摄影日期、摄影比例尺等）需要单独建立文件； 多数据源、多时相的遥感图像数据间的关系无法反映； 数据的

21、安全性、并发控制和数据共享问题。,39,2. 文件-数据库管理方式,影像数据仍按照文件方式组织管理；在关系数据库中，每个文件都有唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件名称、存储路径等 表5.1 影像信息数据库表 影像名称 块号 Image 001 011001 Image 002 011002 Image 003 011003 Image 004 021001 Image 005 021002 ,40,3. 关系数据库管理,基于扩展关系数据库的影像数据库管理是将影像数据存储在二进制变长字段中，然后应用程序通过数据访问接口来访问数据库中的影像数据。同时影像数据的元数据信息也存放在关系数据库的表

22、中，二者可以进行无缝管理。 数据库方式管理影像数据具有以下特点： 所有数据集中存储，数据安全，易于共享。 较方便管理多数据源和多时态的数据。 支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享。 影像数据和元数据集成到一起，能方便的进行交互式查询。 对Client/Server的分布式应用支持较好，网络性能和数据传输速度都有很大提高。 影像数据访问只能通过数据库驱动接口访问，有利于数据的一致性和完整性控制，数据不会被随意移动、修改和删除。 支持异构的网络模式，即应用程序和后台数据库服务器可以在不同操作系统平台下运行。,41,本章小结,数据库与空间数据库 数据库的数据组织层次 数据间的逻辑联系 数据模型 层次模型 网络模型 关系数据库模型 面性对象的数据模型 矢量数据的管理方式：对象关系型数据库管理 栅格数据的管理方式：文件管理方式,思考题,常用软件如ArcView、Mapinfo、SuperMap各采用哪种数据管理方式？作业： 一、（基础部分）1、什么是空间数据库，具有什么特点？ 2、矢量数据的管理方式有哪些，各有什么优缺点？ 3、栅格数据的管理方式有哪些，各有什么优缺点？,43,