第四章空間數(shù)據(jù)庫第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五本章重點：

空間數(shù)據(jù)庫的概念傳統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)模型第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)知識

1、數(shù)據(jù)庫的概念數(shù)據(jù)庫技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代末期，是計算機(jī)領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，是一種按理想的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。建立數(shù)據(jù)庫不僅僅是為了保存數(shù)據(jù)，擴(kuò)展人的記憶，而主要是為了幫助人們?nèi)ス芾砗涂刂婆c這些數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的事物。地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫就是一種專門化的數(shù)據(jù)庫，由于這類數(shù)據(jù)庫具有明顯的空間特征，所以有人把它稱為空間數(shù)據(jù)庫。第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五定義：數(shù)據(jù)庫就是為了一定的目的，在計算機(jī)系統(tǒng)中以特定的結(jié)構(gòu)組織、存儲、管理和應(yīng)用的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比具有的特點：（1）數(shù)據(jù)量特別大（2）不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù)，還有大量的空間數(shù)據(jù)，即描述地理要素空間分布位置的數(shù)據(jù)，并且這兩種數(shù)據(jù)之間具有不可分割的聯(lián)系。（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用的面相當(dāng)廣，如地理研究、環(huán)境保護(hù)、土地利用與規(guī)劃等等。第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2數(shù)據(jù)庫的主要特征（1）數(shù)據(jù)集中控制特征（2）數(shù)據(jù)冗余度小的特征（3）數(shù)據(jù)獨立性特征（4）復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型（5）數(shù)據(jù)保護(hù)特征第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)可以分成三個層次：物理級、概念級和用戶級。（1）物理級：數(shù)據(jù)庫最內(nèi)的一層，它是物理設(shè)備上實際存儲的數(shù)據(jù)集合。是由物理模式描述的。（2）概念級：數(shù)據(jù)庫的邏輯表示，包括每個數(shù)據(jù)的邏輯定義以及數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系。（3）用戶級：用戶所使用的數(shù)據(jù)庫，是一個或幾個特定用戶所使用的數(shù)據(jù)集合，是概念模型的邏輯子集。由外部模式定義。第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4數(shù)據(jù)組織方式數(shù)據(jù)項記錄文件數(shù)據(jù)庫第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5、數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要是指記錄與記錄之間的聯(lián)系。一對一的聯(lián)系(1：1)一對多的聯(lián)系(1：N)多對多的聯(lián)系(M：N)A

BAB第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中關(guān)于數(shù)據(jù)和聯(lián)系的邏輯組織的形式表示。每一種數(shù)據(jù)模型都以不同的數(shù)據(jù)抽象與表示能力來反映客觀事物，有其不同的處理數(shù)據(jù)聯(lián)系的方式。數(shù)據(jù)模型的主要任務(wù)就是研究記錄類型之間的聯(lián)系。目前數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域采用的數(shù)據(jù)模型有：層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型，其中應(yīng)用最廣泛的是關(guān)系模型。第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1、層次數(shù)據(jù)模型是用樹型結(jié)構(gòu)來表示實體間聯(lián)系的模型。它將數(shù)據(jù)組織成一對多(或雙親與子女)關(guān)系的結(jié)構(gòu)。第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五層次模型由處于不同層次的各個結(jié)點組成。除根結(jié)點以外，其余各個結(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”。層次模型反映了現(xiàn)實世界中實體間的層次關(guān)系，層次結(jié)構(gòu)是眾多空間對象的自然表達(dá)形式，并有一定程度上支持?jǐn)?shù)據(jù)的重構(gòu)。應(yīng)用是應(yīng)注意：1）由于層次結(jié)構(gòu)的嚴(yán)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，使得低層次對象處理效率較低，并難以進(jìn)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。（2）層次命令具有過程式性質(zhì)，它要求用戶了解數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)，并在數(shù)據(jù)操縱命令中顯式地給出存貯取路徑（3）模擬多對多聯(lián)系時導(dǎo)致物理存的上冗余（4）數(shù)據(jù)獨立性較差。第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2、網(wǎng)絡(luò)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)，它反映著現(xiàn)實世界實體間更為復(fù)雜的聯(lián)系，其本質(zhì)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)點可與其他多個結(jié)點建立聯(lián)系。第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五網(wǎng)狀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。存在以下問題：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了用戶查詢和定位的困難。要求用戶熟悉數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，知道自身所處的位置。（2）網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過程式性質(zhì)（3）不直接支持對于層次結(jié)構(gòu)的表達(dá)。第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3、關(guān)系模型的基本思想是用二維表表示實體及其聯(lián)系。二維表中的每一列對應(yīng)實體的一個屬性，叫做域，并給出相應(yīng)的屬性值，每一行形成一個由多種屬性組成的多元組，或稱元組,與一實體相對應(yīng)。第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點（1）能夠以簡單、靈活的方式表達(dá)現(xiàn)實世界中各種實體以及相互間關(guān)系，使用和維護(hù)也很方便。關(guān)系數(shù)據(jù)模型通過規(guī)范化的關(guān)系為用戶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(yán)密的數(shù)據(jù)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。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五關(guān)系數(shù)據(jù)模型的缺點：（1）實現(xiàn)效率不夠高。（2）描述對象語義的能力較弱。（3）不直接支持層次結(jié)構(gòu)（4）模型的可擴(kuò)充性較差（5）模擬和操縱復(fù)雜對象的能力較弱。第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)GIS中空間數(shù)據(jù)庫的組織方式傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理地理空間數(shù)據(jù)有以下幾個方面的局限性：（1）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(qiáng)的空間相關(guān)性。（2）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。（3）存儲的數(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(biāo)的坐標(biāo)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)只操作和查詢文字和數(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。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五目前，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)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：1、混合結(jié)構(gòu)模型：基本思想是用兩個系統(tǒng)分別存儲和檢索空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，其中屬性數(shù)據(jù)存儲在常規(guī)的RDBMS中，幾何數(shù)據(jù)存儲在空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)之間使用一種標(biāo)識符聯(lián)系起來。GISRDBMS幾何空間數(shù)據(jù)第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2、擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型混合結(jié)構(gòu)模型的缺陷是因為兩個存儲子系統(tǒng)具有各自的職責(zé)，互相很難保證數(shù)據(jù)存儲、操作的統(tǒng)一。擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型采用同一DBMS存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。做法是在標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫上增加空間數(shù)據(jù)管理層，即利用該層將地理結(jié)構(gòu)查詢語言轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的SQL查詢，借助索引數(shù)據(jù)的輔助關(guān)系實施空間索引操作。優(yōu)點：省去了空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫之間的繁瑣聯(lián)結(jié)，空間數(shù)據(jù)存取速度較快，但由于是間接存取，在效率上總是低于DBMS中所用的直接操作過程，且查詢過程復(fù)雜。第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型是在開放型DBMS基礎(chǔ)上擴(kuò)充空間數(shù)據(jù)表達(dá)功能。第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五第4節(jié)空間數(shù)據(jù)查詢

空間數(shù)據(jù)庫查詢就是根據(jù)用戶的要求，從數(shù)據(jù)庫中找出符合用戶需求的空間數(shù)據(jù)子集。空間數(shù)據(jù)查詢功能分為三類：空間關(guān)系查詢：對空間實體間存在的拓?fù)?、順序、距離、方位等關(guān)系的查詢，點、線、面實體相互關(guān)系查詢；ArcView屬性數(shù)據(jù)查詢：針對非空間的信息查詢。利用SQL（StructuredQueryLanguage,結(jié)構(gòu)化查詢語言）在屬性數(shù)據(jù)中找出滿足條件的空間實體；MapInfo空間屬性聯(lián)合查詢：查詢條件中既包括查詢空間關(guān)系，又包含查詢屬性信息的要求，就是空間屬性的聯(lián)合查詢。MapInfo第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五點、線、面實體相互關(guān)系的9種查詢：1點-點查詢查詢某點實體給定距離范圍內(nèi)的其他點實體。如200km。步驟：(1)激活點圖層，選擇一個點第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢（200km以內(nèi)的其他點）第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2線-點查詢查詢距離某線實體一定距離范圍內(nèi)的點實體。如200km。步驟：(1)激活線圖層，選擇一條線第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢激活點圖層，輸入查詢條件第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3面-點查詢查詢某面實體范圍內(nèi)的點實體。步驟：(1)激活面圖層，統(tǒng)一顏色，選擇一個面第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢激活點圖層，輸入查詢條件第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4點-線查詢查詢某點實體一定范圍內(nèi)的線實體。步驟：(1)激活點圖層，選擇一個點第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢激活線圖層，輸入查詢條件第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5線-線查詢查詢與某個線實體相連的其他線實體。步驟：(1)激活線圖層，選擇一條線第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢輸入查詢條件第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五6面-線查詢查詢經(jīng)過某個面實體的線實體。步驟：(1)激活面圖層，選擇一個面第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢激活線圖層，輸入查詢條件第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五7點-面查詢查詢某個點實體被包含在哪個面實體內(nèi)部。步驟：(1)激活點圖層，選擇一個點第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(2)SQL查詢激活面圖層，輸入查詢條件第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023