空间数据库电子书A.docx
《空间数据库电子书A.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空间数据库电子书A.docx（85页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
空间数据库电子书A
空间数据库
前言
空间数据库（地图数据库）是地理信息系统的重要组成部分，因为地图是地理信息系统的主要载体。
地理信息系统是一种以地图为基础，供资源、环境以及区域调查、规划、管理和决策用的空间信息系统。
在数据获取过程中，空间数据库用于存贮和管理地图信息；在数据处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。
然而，地理与地图数据以其惊人的数据量与空间相关的复杂性，使得通用的数据库系统难以胜任。
为此，就要用当代的系统方法，在地理学、地图学原理的指导下，对地理环境进行科学的认识与抽象，将地理数据库化为计算机处理时所需的形式与结构，形成综合性的信息系统。
目前，已形成商品的GIS系统中，多数是基于二维地图数据上进行存储、处理和分析。
随着GIS应用领域的不断扩大，应用功能的不断增强，系统对空间数据的要求也越来越高。
因此，传统GIS中空间数据库的管理能力已不能满足当前GIS对空间数据管理的需要。
现今，GIS业内人士在空间数据库的研究上正在进行新的探索和尝试，以求得能满足GIS各种需要的空间数据的管理模式和数据模型。
例如，三维空间数据模型、时态GIS空间数据模型、空间数据关系化模型、网络GIS空间数据模型等。
本教材主要是围绕GIS系统中各种空间数据的管理模式和数据模型予以介绍，其中包括传统GIS系统中用到的各种数据模型，例如矢量数据模型、栅格数据模型、符号库、海量空间数据的管理等；同时也对上述的GIS专业人员正在研究的一些新的数据模型进行了叙述；教材中还融入了我院近年的部分科研成果。
通过本教材的学习，读者既可以掌握已成熟的空间数据库的管理模式和数据模型，也可以了解当前空间数据库的最新动态和发展趋势。
本教材是在2001年编写的《空间数据库》讲义的基础上，经过三年的教学实践，在广泛征求意见的前提下，进行第三次修编的。
在教材的编写过程中，始终得到吴信才教授的关心和指导，并为本教材编写的指导思想和内容组织提出建议；谢忠教授也为本教材提出了修改意见，在这里向他们表示感谢。
由于本书的很多内容正处于研究探索之中，再加上我们水平有限，编写时间仓促，所以书中错误在所难免，欢迎同行专家和读者批评指正。
作者
第一章数据库概述……………………………………1
§1.1数据库的概念…………………………………………1
§1.2数据模型………………………………………………3
§1.3数据库设计的三个步骤………………………………17
§1.4新型数据库系统………………………………………26
§1.5空间数据挖掘技术及应用……………………………41
习题……………………………………………………49
第二章矢量地图数据库………………………………………50
§2.1地图数据模型总论……………………………………50
§2.2矢量数据模型…………………………………………57
§2.3空间索引…………………………………………63
习题…………………………………………………………87
第三章栅格地图数据库………………………………………88
§3.1栅格数据的基本概念…………………………………88
§3.2栅格数据的组织与存储………………………………89
§3.3栅格数据库的检索……………………………………99
§3.4海量影像数据库……………………………………101
习题…………………………………………………………103
第四章地图符号库…………………………………………104
§4.1地图符号库概述……………………………………104
§4.2地图符号数据结构…………………………………107
§4.3地图符号的显示……………………………………109
习题…………………………………………………………114
第五章三维空间数据模型…………………………………115
§5.1空间维数讨论………………………………………115
§5.2空间构模技术分类…………………………………117
§5.3基于面模型的准3D空间构模…………………118
§5.4基于体模型的真3D空间构模…………………120
§5.5基于面-体混合的3D空间构模…………………138
§5.6三维空间拓扑关系………………………………141
习题…………………………………………………………145
第六章海量空间数据组织与管理…………………………146
§6.1数据库中图幅的组织方法…………………………147
§6.2图幅间被分割目标的组织方法……………………147
§6.3跨图幅地图漫游……………………………………149
习题…………………………………………………………152
第七章时态GIS数据库…………………………………154
§7.1地理信息的时态性分析……………………………154
§7.2时态GIS数据模型…………………………………156
§7.3时态GIS实现方法…………………………………158
§7.4元组级基态修正法…………………………………161
习题…………………………………………………………164
第八章空间数据的关系化管理……………………………165
§8.1基于关系数据库的空间数据模型…………………165
§8.2基于关系数据库的空间实体数据结构……………167
§8.3空间数据访问模型…………………………………169
§8.4关系化空间数据的安全管理………………………170
§8.5大型关系型数据库管理系统分布式体系结构的应用
………………………………………………………172
习题…………………………………………………………173
第九章网络GIS空间数据管理……………………………174
§9.1网络GIS主要构造模型……………………………175
§9.2分布式地理信息共享形式…………………………183
§9.3分布式空间数据管理技术…………………………188
§9.4网络GIS中地理空间元数据管理…………………194
习题……………………………………………………………204
参考文献………………………………………………………205
第一章数据库概述
§1.1数据库的概念
数据库的英文是DATABASE，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理数据的基地。
这有些类似资料库，实际上资料库的许多特征都可以从数据库中找到。
在资料库中，各类资料都有严格的分类系统和编码表，并存放在规定的资料架上，为管理和查找资料提供了极大的方便。
当资料的数据形式存放于计算机时，它已经失去直观性，更需要建立严密的分类和编码系统，实现数据的标准化和规范化。
一、数据管理的文件方式
数据库系统是运用计算机技术管理数据的最新成就，在这之前，计算机数据管理经历了文件管理方式时期，亦称为文件管理系统，它包含在计算机的操作系统中。
文件方式是把数据的存取抽象为一种模型：
使用时只要给出文件名称、格式和存取方式等，其余的一切组织与存取过程由专用软件——文件管理系统来完成（见图1-1-1）。
应用程序文件管理系统数据文件
P1F1
P2FMSF2
┆┆
PnFn
图1-1-1文件管理系统
文件管理系统的特点是：
1．数据文件是大量数据的集合形式。
每个文件包含有大量的记录，每个记录包含若干个甚至多达几十个以上的数据项。
文件和文件名面向用户并存贮在计算机的贮存设备上，可以反复利用。
2．面向用户的数据文件，用户可通过它进行查询、修改、插入、删除等操作。
3．数据文件与对应的程序具有一定的独立性，即程序员可以不关心数据的物理存贮状态，只需考虑数据的逻辑存贮结构，从而可以大量地节省修改和维护程序的工作量。
4．数据文件的缺点是只能对应于一个或几个应用程序，不能摆脱程序的依赖性。
数据文件之间不能建立关系，呈现出无结构的信息集合状态，往往冗余度大，不易扩充，维护和修改。
二、数据库系统管理数据方式
数据库管理系统（DBMS）是在文件管理系统的基础上进一步发展的系统。
DBMS在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。
DBMS的最大优点是提供了两者之间的数据独立性。
即应用程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存贮结构。
当数据文件的存贮结构改变时，不必改变应用程序（见图1-1-2）。
数据库管理系统的特点可概括如下：
1．数据管理方式建立在复杂的数据结构设计的基础上，将相互关联的数据集一文件并赋于某种固有的内在联系。
各个相关文件可以通过公共数据项联系起来。
2．数据库中的数据完全独立，不仅是物理状态的独立，而且是逻辑结构的独立，即程序访问的数据只需提供数据项名称。
3．数据共享成为现实，数据库系统的并发功能保证了多个用户可以同时使用同一个数据文件，而且数据处于安全保护状态。
4．数据的完整性，有效性和相容性保证其冗余度最小，有利于数据的快速查询和维护。
应用程序数据库管理员的物理数据库
的逻辑文件全面逻辑数据描述
局部全局
逻辑观点逻辑观点
逻辑数据物理数据
变换变换
图1-1-2数据库系统
三、数据库系统的构成
综合上述，我们可以把与数据库有关的几个概念理解为：
数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合；数据库管理系统是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作；数据库系统指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统。
§1.2数据模型
数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。
数据模型是一组描述数据库的概念。
这些概念精确地描述数据、数据之间的关系、数据的语义和完整性约束。
很多数据模型还包括一个操作集合。
这些操作用来说明对数据库的存取和更新。
数据模型应满足三方面要求：
一是能真实地模拟现实世界；二是容易为人们理解；三是便于在计算机上实现。
数据库设计的核心问题之一就是设计一个好的数据模型。
目前在数据库领域，常用的数据模型有：
层次模型、网络模型、关系模型以及最近兴起的面向目标模型。
下面以两个简单的空间实体为例（图1-2-1），简述这几个数据模型中的数据组织形式及其特点。
M
1a
e2
b
4Ⅱc
d
3
图1-2-1地图M及其空间实体ⅠⅡ
一、层次模型
层次数据库模型是将数据组织成一对多（或双亲与子女）关系的结构，其特点为：
（1）有且仅有一个结点无双亲，这个结点即树的根；
（2）其它结点有且仅有一个双亲。
对于图1-2-1所示多边形地图可以构造出图1-2-2所示的层次模型
层次数据库结构特别适用于文献目录，土壤分类、部门机构等分级数据的组织。
例如全国—省—县—乡是一棵十分标准的有向树，其中“全国”是根节点，省以下的行政区划单元都是子节点。
这种数据模型的优点是层次和关系清楚，检索路线明确。
层次模型不能表示多对多的联系，这是令人遗憾的缺陷。
在GIS中，若采用这种层次模型将难以顾及公共点，线数据共享和实体元素间的拓扑关系，导致数据冗余度增加，而且给拓扑查询带来困难。
M
ⅠⅡ
abebcd
122414242334
图1-2-2层次模型
二、网络模型
在网络模型中，各记录类型间可具有任意连接的联系。
一个子结点可有多个父结点；可有一个以上的结点无父特点；父结点与某个子结点记录之间可以有多种联系（一对多、多对一、多对多）。
图1-2-3是图1-2-1的网络模型。
网络数据库结构特别适用于数据间相互关系非常复杂的情况，除了上面说的图形数据外，不同企业部门之间的生产，消耗联系也可以很方便地用网状结构来表示。
网络数据库结构的缺点是：
由于数据间联系要通过指针表示，指针数据项的存在使数据量大大增加，当数据间关系复杂时指针部分会占大量数据库存贮空间。
另外，修改数据库中的数据，指针也必须随着变化。
因此，网络数据库中指针的建立和维护可能成为相当大的额外负担。
M
ⅠⅡ
abcde
1234
图1-2-3网络模型
三、关系模型
关系模型的基本思想是用二维表形式表示实体及其联系。
二维表中的每一列对应实体的一个属性，其中给出相应的属性值，每一行形成一个，由多种属性组成的多元组，或称元组（tupple），与一特定实体相对应。
实体间联系和各二维表间联系采用关系描述或通过关系直接运算建立。
元组（或记录）是由一个或多个属性（数据项）来标识，这一个或一组属性称为关键字，一个关系表的关键字称为主关键字，各关键字中的属性称为元属性。
关系模型可由多张二维表形式组成，每张二维表的“表头”称为关系框架，故关系模型即是若干关系框架组成的集合。
如图1-2-1所示的多边形地图，可用表1-2-1所示关系表示多边形与边界及结点之间的关系。
关系模型中应遵循以下条件：
（1）二维表中同一列的属性是相同的；
（2）赋予表中各列不同名字（属性名）；
表1-2-1关系表
关系1：
边界关系关系2：
边界－结点关系关系３：
结点坐标关系
多边形
号
（P）
边号
（E）
边长
边号
（E）
起结点号
（SN）
终结点号
（EN）
结点号
（N）
X
Y
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
a
b
c
30
40
30
a
b
c
d
e
1
2
2
3
4
2
4
3
4
1
1
2
3
4
19.8
38.6
26.7
9.5
34.2
25.0
8.2
15.7
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
b
c
d
40
25
28
（3）二维表中各列的次序是无关紧要的；
（4）没有相同内容的元组，即无重复元组；
（5）元组在二维表中的次序是无关紧要的。
关系数据库结构的最大优点是它的结构特别灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数学运算规则形成的询问要求；关系数据还能搜索、组合和比较不同类型的数据，加入和删除数据都非常方便。
关系模型用于设计地理属性数据的模型较为适宜。
因为在目前，地理要素之间的相互联系是难以描述的，只能独立地建立多个关系表，例如：
地形关系，包含的属性有高度、坡度、坡向，其基本存贮单元可以是栅格方式或地形表面的三角面；人口关系，含的属性有人的数量，男女人口数，劳动力，抚养人口数等。
基本存贮单元通常是对应于某一级的行政区划单元。
关系数据库的缺点是许多操作都要求在文件中顺序查找满足特定关系的数据，如果数据库很大的话，这一查找过程要花很多时间。
搜索速度是关系数据库的主要技术标准，也是建立关系数据库花费高的主要原因。
四、面向对象模型
面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示。
每个对象都是包含了数据集和操作集的实体，即是说，面向对象的模型具有封装性的特点。
1．面向对象的概念
（1）对象与封装性（encapsulation）
面向对象的系统中，每个概念实体都可以模型化为对象。
对于多边形地图上的一个结点、一条弧段、一条河流、一个区域或一个省都可看成对象。
一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的。
例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的变迁则表达了它的行为。
由此可见，对象是数据和行为的统一体。
一个对象object可定义成一个三元组：
object=（ID，S，M）
其中，ID为对象标识，M为方法集，S为对象的内部状态，它可以直接是一属性值，也可以是另外一组对象的集合，因而它明显地表现出对象的递归。
（2）分类（classification）
类是关于同类对象的集合，具有相同属性和操作的对象组合在一起。
属于同一类的所有对象共享相同的属性项和操作方法，每个对象都是这个类的一个实例，即每个对象可能有不同的属性值。
可以用一个三元组来建立一个类型：
class=（CID，CS，CM）
其中，CID为类标识或类型名，CS为状态描述部分，CM为应用于该类的操作。
显然有，
S∈CS和M∈CM当object∈class时
因此，在实际的系统中，仅需对每个类型定义一组操作，供该类中的每个对象应用。
由于每个对象的内部状态不完全相同，所以要分别存储每个对象的属性值。
例如，一个城市的GIS中，包括了建筑物、街道、公园、电力设施等类型。
而洪山路一号楼则是建筑物类中的一个实例，即对象。
建筑物类中可能有建筑物的用途、地址、房主、建筑日期等属性，并可能需要显示建筑物、更新属性数据等操作。
每个建筑物都使用建筑物类中操作过程的程序代码，代入各自的属性值操作该对象。
（3）概括（generalization）
在定义类型时，将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成一种更一般的超类。
例如，将GIS中的地物抽象为点状对象、线状对象、面状对象以及由这三种对象组成的复杂对象，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。
比如，设有两种类型
Class1=（CID1，CSA，CSB，CMA，CMB）
Class2=（CID2，CSA，CSC，CMA，CMC）
Class1和Class2中都带有相同的属性子集CSA和操作子集CMA并且
CSA∈CS1和CSA∈CS2及CMA∈CM1和CMA∈CM2
因而将它们抽象出来，形成一种超类
Superclass=（SID，CSA，CMA）
这里的SID为超类的标识号。
在定义了超类以后，Class1和Class2可表示为
Class1=（CID1，CSB，CMB）
Class2=（CID2，CSC，CMC）
此时，Class1和Class2称为Superclass的子类（Subclass）。
例如，建筑物是饭店的超类，因为饭店也是建筑物。
子类还可以进一步分类，如饭店类可以进一步分为小餐馆、普通旅社、宾馆、招待所等类型。
所以，一个类可能是某个或某几个超类的子类，同时又可能是几个子类的超类。
建立超类实际上是一种概括，避免了说明和存储上的大量冗余。
由于超类和子类的分开表示，所以就需要一种机制，在获取子类对象的状态和操作时，能自动得到它的超类的状态和操作。
这就是面向对象方法中的模型工具－继承，它提供了对世界简明而精确的描述，以利于共享说明和应用的实现。
（4）联合（association）
在定义对象时，将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来，为了避免重复，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。
假设有两个对象
Object1=（ID1，SA，SB，M）
Object2=（ID2，SA，SC，M）
其中，这两个对象具有一部分相同的属性值，可设立新对象Object3包含Object1和Object2,
Object3=（ID3，SA，Object1，Object2，M）
此时，Object1和Object2可变为
Object1=（ID1，SB，M）
Object2=（ID2，SC，M）
Object1和Object2称为“分子对象”，它们的联合所得到的对象称为“组合对象”。
联合的一个特征是它的分子对象应属于一个类型。
（5）聚集（aggregation）
聚集是将几个不同特征的对象组合成一个更高水平的对象。
每个不同特征的对象是该复合对象的一部分，它们有自己的属性描述数据和操作，这些是不能为复合对象所公用的，但复合对象可以从它们那里派生得到一些信息。
例如，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物组成复杂地物。
例如，设有两种不同特征的分子对象
Object1=（ID1，S1，M1）
Object2=（ID2，S2，M2）
用它们组成一个新的复合对象
Object3=（ID3，S3，Object1（Su），Object2（Sv），M3）
其中Su∈S1，SV∈S2，从式中可见，复合对象Object3拥有自己的属性值和操作，它仅是从分子对象中提取部分属性值，且一般不继承子对象的操作。
在联合和聚集这两种对象中，是用“传播”作为传递子对象的属性到复杂对象的工具。
即是说，复杂对象的某些属性值不单独存于数据库中，而是从它的子对象中提取或派生。
例如，一个多边形的位置坐标数据，并不直接存于多边形文件中，而是存于弧段和结点文件中，多边形文件仅提供一种组合对象的功能和机制，通过建立聚集对象，借助于传播的工具可以得到多边形的位置信息。
2．面向对象数据库（OODB）模型的特征
（1）对象和对象标识符：
任一现实世界中的实体都模拟成一个对象，由唯一对象标识符与之对应。
（2）属性和方法：
属性有单值的，也有多值的。
属性不受第一范式的约束，不必是原子的，可是另一个对象。
方法是作用在对象上的方法集合。
（3）类：
同一类对象共用相同的属性集和方法集。
（4）类层次和继承：
类是低层次的概括；而子类继承了高层次类的所有属性和方法，亦有自己特有的属性和方法。
3．面向对象数据库的设计方法
面向对象数据库的设计主要是定义对象类或对象集合，定义对象属性，定义操作。
（1）确定对象及对象类
a．从真实世界中抽取有意义的物体和概念作为对象，并将某类作为数据库系统的基础类；
b．根据数据抽象化的原则，如果表示一组物体的对象集合具备系统所需要的相似特性和操作，那么该集合应用类来表示。
（2）确定操作
要详细分析系统的需求，研究对各类对象起作用的操作，包括对象自身的操作和该对象对另一类对象起作用的操作。
a．构造操作又称创建操作：
在OODB中产生该类的一个新的对象或实例，并赋予属性值。
b．访问操作：
提供附加访问的功能，能产生该类的实例的某些特征。
c．变更操作：
用来改变特定对象的属性值。
4．GIS中的面向对象模型
（1）空间地物的几何数据模型
GIS中面向对象的几何数据模型如图1-2-4所示。
从几何方面划分，GIS的各种地物可抽象为：
点状地物、线状地物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物。
每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成。
例如，一个面状地物是由周边弧段和中间面域组成，弧段又涉及到结点和中间点坐
空间地物
复杂地物
简单
地物点状地物线状地物面状地物
结点弧段面域
图1-2-4面向对象的几何数据模型
标。
或者说，结点的坐标传播给弧段，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物组成复杂地物。
（2）拓扑关系与面向对象模型
通常地物之间的相邻、关联关系可通过公共结点、公共弧段的数据共享来隐含表达。
在面向对象数据模型中，数据共享是其重要的特征。
将每条弧段的两个端点（通常它们与另外的弧段公用）抽象出来，建立应该单独的结点对象类型，而在弧段的数据文件中，设立两个结点子对象标识号，即用“传播”的工具提取结点文件的信息，如图1-2-5所示。
这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与结点的拓扑关系。
同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享、几何拓扑关系的建立亦达到一致。
区域文件结点文件
区标识
弧段标识
结点标识
X
Y
Z
1
21
11
100
90
100
2
22,24,25,23
12
90
85
120
3
23
13
升级会员 