第4章地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)Chapter4SpatialDatabaseofGIS§4.1空間數(shù)據(jù)庫(kù)概述§4.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型設(shè)計(jì)－－傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型§4.3空間數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型設(shè)計(jì)－－語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型§4.4空間數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)§4.5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)§4.1空間數(shù)據(jù)庫(kù)概述一、空間數(shù)據(jù)庫(kù)概念1、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)。2、空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)…………具有查詢、檢索、存取等功能GIS空間分析模型GIS空間應(yīng)用模型……空間GIS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成和功能空間數(shù)據(jù)有何特點(diǎn)？空間數(shù)據(jù)庫(kù)有何特點(diǎn)？空間數(shù)據(jù)庫(kù)如何設(shè)計(jì)？空間數(shù)據(jù)庫(kù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)物理存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)和應(yīng)用的相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總合。是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲(chǔ)的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義和邏輯上的定義；提供必須的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和存取功能；能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的維護(hù)和更新的一套軟件系統(tǒng)。提供給用戶訪問(wèn)和操作空間數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶界面，是應(yīng)用戶數(shù)據(jù)處理需求而建立的具有數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能的應(yīng)用軟件?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)支持下建庫(kù)一般由專業(yè)GIS軟件提供一般需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?？臻g數(shù)據(jù)特征（1）空間特征：即位置特征。一般需要建立空間索引。（2）非結(jié)構(gòu)化特征：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，即滿足基本范式:每條記錄定長(zhǎng)，且數(shù)據(jù)項(xiàng)是數(shù)據(jù)元素.而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)變長(zhǎng)，對(duì)象包含一個(gè)或多個(gè)對(duì)象，需要嵌套記錄。（3）空間關(guān)系特征：拓?fù)鋽?shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護(hù)增加了復(fù)雜性。

（4）分類編碼特征：一種地物類型對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。（5）海量數(shù)據(jù)特征。空間數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)（1）數(shù)據(jù)量特別大；（2）數(shù)據(jù)種類多，復(fù)雜；（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用面相當(dāng)廣。?在建立地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，一方面應(yīng)遵循和應(yīng)用通用的數(shù)據(jù)庫(kù)的原理和方法；另一方面又必須采取一些特殊的技術(shù)和方法來(lái)解決其他數(shù)據(jù)庫(kù)所沒(méi)有的問(wèn)題。二、空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)1.空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)世界概念世界信息世界地理現(xiàn)象和過(guò)程概念模型邏輯模型存儲(chǔ)模型2.空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)（1）空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)建庫(kù)的目的功能的實(shí)現(xiàn)建模方式確定（2）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)模型層次模型網(wǎng)絡(luò)模型關(guān)系模型語(yǔ)義模型面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型3.空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的原則、步驟和技術(shù)方法（1）原則數(shù)據(jù)壓縮，減少冗余數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方便用戶訪問(wèn)、查詢盡量反映空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性支持多種數(shù)據(jù)類型（2）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)分析技術(shù)技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)（3）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)模型的三個(gè)方面即：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作、完整性約束。靜態(tài)特性設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)物理設(shè)計(jì)（4）步驟需求分析概念設(shè)計(jì)邏輯設(shè)計(jì)物理設(shè)計(jì)3.空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)（1）空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)建立實(shí)際的空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)裝入試驗(yàn)性的空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用程序調(diào)試裝入實(shí)際空間數(shù)據(jù)（2）相關(guān)的其他設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的再組織設(shè)計(jì)故障恢復(fù)方案設(shè)計(jì)安全性考慮事務(wù)控制（3）空間數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行與維護(hù)維護(hù)空間數(shù)據(jù)的安全性和完整性監(jiān)測(cè)并改善數(shù)據(jù)庫(kù)性能增加新的功能修改錯(cuò)誤?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型及其關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是指數(shù)據(jù)的組織形式，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理和處理的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)模型：是描述實(shí)體及其相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，是空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立的邏輯模型。兩者之間的關(guān)系：混合的交叉關(guān)系，并不一一對(duì)應(yīng)，世界多樣性，確定數(shù)據(jù)模型，確保實(shí)用性，（便于模型化、存儲(chǔ)、檢查和分析），它并不基于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?！?.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型設(shè)計(jì)－－傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型:三種模型（層次、網(wǎng)絡(luò)、關(guān)系）…………………………ABCE368D………………………………層次網(wǎng)絡(luò)關(guān)系（1）層次模型層次模型反映了實(shí)體之間的層次關(guān)系，簡(jiǎn)單、直觀，易于理解，并在一定程度上支持?jǐn)?shù)據(jù)的重構(gòu)。用于GIS地理數(shù)據(jù)庫(kù)存在的主要問(wèn)題是：很難描述復(fù)雜的地理實(shí)體之間的聯(lián)系，描述多對(duì)多的關(guān)系時(shí)導(dǎo)致物理存儲(chǔ)上的冗余；對(duì)任何對(duì)象的查詢都必須從層次結(jié)構(gòu)的根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，低層次對(duì)象的查詢效率很低，很難進(jìn)行反向查詢；數(shù)據(jù)獨(dú)立性較差，數(shù)據(jù)更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復(fù)雜，父結(jié)點(diǎn)的刪除意味著其下層所有子結(jié)點(diǎn)均被刪除；層次命令具有過(guò)程式性質(zhì)，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數(shù)據(jù)的存取路徑；基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。（2）網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)狀）模型網(wǎng)絡(luò)模型反映地理世界中常見(jiàn)的多對(duì)多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)，具有一定的數(shù)據(jù)獨(dú)立和數(shù)據(jù)共享特性，且運(yùn)行效率較高。用于GIS地理數(shù)據(jù)庫(kù)的主要問(wèn)題如下：由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，知道自己所處的位置；網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過(guò)程式性質(zhì)，存在與層次模型相同的問(wèn)題；不直接支持對(duì)于層次結(jié)構(gòu)的表達(dá)；基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。（3）關(guān)系模型在GIS分析中，常常需要綜合運(yùn)用實(shí)體之間的空間關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)，要求GIS數(shù)據(jù)庫(kù)能對(duì)實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。對(duì)屬性數(shù)據(jù)用通用RDBMS可以很好管理，但對(duì)于空間數(shù)據(jù)一般DBMS卻有局限，表現(xiàn)為：無(wú)法用遞歸和嵌套的方式來(lái)描述復(fù)雜關(guān)系的層次和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，模擬和操作復(fù)雜地理對(duì)象的能力較弱；用關(guān)系模型描述本身具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和涵義的地理對(duì)象時(shí)，需對(duì)地理實(shí)體進(jìn)行不自然的分解，導(dǎo)致存儲(chǔ)模式、查詢途徑及操作等方面均顯得語(yǔ)義不甚合理；由于概念模式和存儲(chǔ)模式的相互獨(dú)立性，及實(shí)現(xiàn)關(guān)系之間的聯(lián)系需要執(zhí)行系統(tǒng)開(kāi)銷較大的聯(lián)接操作，運(yùn)行效率不夠高?？臻g數(shù)據(jù)通常是變長(zhǎng)的，而一般RDBMS只允許記錄的長(zhǎng)度設(shè)定為固定長(zhǎng)度，此外，通用DBMS難于存儲(chǔ)和維護(hù)空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系。

一般RDBMS都難以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、連通、包含、疊加等基本操作。一般DBMS不能支持GIS需要的一些復(fù)雜圖形功能。一般RDBMS難以支持復(fù)雜的地理信息，因?yàn)閱蝹€(gè)地理實(shí)體的表達(dá)需要多個(gè)文件、多條記錄，包括大地網(wǎng)、特征坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系、屬性數(shù)據(jù)和非空間專題屬性等方面信息。GIS管理的是具有高度內(nèi)部聯(lián)系的數(shù)據(jù)，為了保證地理數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性，需要復(fù)雜的安全維護(hù)系統(tǒng)，而這些完整性約束條件必須與空間數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)，由地理數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。否則，一條記錄的改變會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤、相互矛盾的數(shù)據(jù)存在，而一般RDBMS難以實(shí)現(xiàn)這一功能。（3）三種傳統(tǒng)模型比較（見(jiàn)P126）數(shù)據(jù)模型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)………………………………………………§4.3空間數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型設(shè)計(jì)

－－語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型一、語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型1.定義：用抽象來(lái)描述客體的基本語(yǔ)義特性。2.常用類型：實(shí)體聯(lián)系模型（E-R模型）實(shí)體：對(duì)客觀存在客體的一種抽象。用矩形符號(hào)表示。聯(lián)系：是客體間有意義的互相作用或?qū)?yīng)關(guān)系。一對(duì)一；一對(duì)多；多對(duì)多。用菱形符號(hào)表示。屬性：是對(duì)實(shí)體和聯(lián)系特征的描述。用橢圓形表示。3.采用E-R模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)局部設(shè)計(jì)全局優(yōu)化4.評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：接近人的思想，易于理解，與計(jì)算機(jī)具體的實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，缺點(diǎn)：沒(méi)有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)能支持這種數(shù)據(jù)模型。二、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型地理對(duì)象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法（一）基本概念

1、對(duì)象定義：含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨(dú)立模塊，可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。如一個(gè)城市、一棵樹(shù)均可作為地理對(duì)象。具有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，以表明其存在的獨(dú)立性；具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時(shí)刻的狀態(tài)——靜態(tài)屬性—數(shù)據(jù)；具有一組表示行為的操作方法，用以改變對(duì)象的狀態(tài)。--作用、功能—函數(shù)、方法。

劃分：根據(jù)對(duì)象的共性，及對(duì)它的研究目的來(lái)劃分，與具體的目的、性質(zhì)相聯(lián)系，不同的目的就會(huì)有不同劃分。

劃分原則：找共同點(diǎn)，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對(duì)象。2、類：

共享同一屬性和方法集的所有對(duì)象的集合構(gòu)成類。如河流均具有共性，如名稱、長(zhǎng)度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計(jì)算長(zhǎng)度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。3、實(shí)例

被抽象的對(duì)象，類的一個(gè)具體對(duì)象，稱為實(shí)例，如長(zhǎng)江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。類是抽象的對(duì)象，是實(shí)例的組合，類、實(shí)例是相對(duì)的，類和實(shí)例的關(guān)系為上下層關(guān)系。類---申請(qǐng)實(shí)例---成為具體對(duì)象。4、消息：

對(duì)象之間的請(qǐng)求和協(xié)作。（并不獨(dú)立存在）對(duì)象之間的關(guān)系，如鼠標(biāo)點(diǎn)，就是消息，點(diǎn)某按紐，就是對(duì)按紐提出請(qǐng)求。類實(shí)例1實(shí)例2對(duì)象1對(duì)象2請(qǐng)求和協(xié)作消息(二)面向?qū)ο蟮奶匦?、抽象：是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)明表示。形成對(duì)象的關(guān)鍵是抽象，對(duì)象是抽象思維的結(jié)果。2、封裝：一般講，包起來(lái)，將方法與數(shù)據(jù)放于一對(duì)象中，以使對(duì)數(shù)據(jù)的操作只可通過(guò)該對(duì)象本身的方法來(lái)進(jìn)行。在這，指把對(duì)象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響。3、多態(tài)：是指同一消息被不同對(duì)象接收時(shí)，可解釋為不同的含義。同一消息，對(duì)不同對(duì)象，功能不同。功能重載→多態(tài)，簡(jiǎn)化消息，但功能不減。

現(xiàn)實(shí)世界抽象對(duì)象1對(duì)象n對(duì)象2CCircle圖元類CLinedraw()draw(p1,r)draw(p1,p2)LineCircle

（三）四種核心技術(shù)1、分類：把一組具有相同屬性結(jié)構(gòu)和操作方法的對(duì)象歸納或映射為一個(gè)公共類的過(guò)程。如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個(gè)類。

2、概括：將相同特征和操作的類再抽象為一個(gè)更高層次、更具一般性的超類的過(guò)程。子類是超類的一個(gè)特例。一個(gè)類可能是超類的子類，也可是幾個(gè)子類的超類。所以，概括可能有任意多層次。概括技術(shù)避免了說(shuō)明和存儲(chǔ)上的大量冗余。這需要一種能自動(dòng)地從超類的屬性和操作中獲取子類對(duì)象的屬性和操作的機(jī)制，即繼承機(jī)制。3、聚集：把幾個(gè)不同性質(zhì)類的對(duì)象組合成一個(gè)更高級(jí)的復(fù)合對(duì)象的過(guò)程。4、聯(lián)合：相似對(duì)象抽象組合為集合對(duì)象。其操作是成員對(duì)象的操作集合。（四）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具1、繼承：一類對(duì)象可繼承另一類對(duì)象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。它服務(wù)于概括。繼承機(jī)制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。(1)有單重繼承和多重繼承；有全部繼承和部分繼承；有取代繼承和包含繼承等(2)狀態(tài)繼承（數(shù)據(jù)）子類繼承父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，子類還可定義自己新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。子類任意使用父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有可能破壞封裝，若只能通過(guò)發(fā)送消息來(lái)使用父類的域，又可能失去有效性，具體辦法：公有域：類可操作，實(shí)例也可操作。私有域：只有類本身使用，用戶不得訪問(wèn)。保護(hù)域：子類可使用，繼承使用，實(shí)例不能使用。

函數(shù)父類子類數(shù)據(jù)實(shí)例公有域私有域保護(hù)域：(3）功能的繼承：子類繼承父類的功能，但子類的功能要發(fā)生一些變化，功能函數(shù)重新定義，為使消息名簡(jiǎn)化，可讓功能函數(shù)同名，但參數(shù)不一樣，用子類功能取代父類功能函數(shù)。功能重載，功能函數(shù)名相同，但參數(shù)不一樣。調(diào)用功能時(shí)，函數(shù)名及其參數(shù)共同決定，具體的功能，有了功能重載，對(duì)象就體現(xiàn)出多態(tài)性。多態(tài)：同一個(gè)消息可根據(jù)發(fā)送消息對(duì)象的不同采用多種不同的行為方式，同一個(gè)消息對(duì)不同對(duì)象，功能不一。如鼠標(biāo)，在不同按鈕按，其功能不一樣。(4)繼承與封裝關(guān)系繼承：父類特性子類繼承，不可封裝，封裝，與外界隔離，表面是矛盾，實(shí)際上沒(méi)有沖突，這正是OOP的優(yōu)越。繼承：一段代碼使用，封裝的代碼重用，靜態(tài)共享代碼。封裝：一段代碼的集成、重用的組織方式，動(dòng)態(tài)共享代碼2、傳播傳播與繼承是一對(duì)。復(fù)雜對(duì)象的某些屬性值不單獨(dú)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，而由子對(duì)象派生或提取，將子（成員）對(duì)象的屬性信息強(qiáng)制地傳播給綜合復(fù)雜對(duì)象。成員對(duì)象的屬性只存儲(chǔ)一次，保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如福州市總?cè)丝?，由存?chǔ)在各成員對(duì)象中的各區(qū)人口總和。3、繼承與傳播（區(qū)別）(1）繼承服務(wù)于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集；(2）繼承是從上層到下層，應(yīng)用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對(duì)象；(3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；(4）繼承是一種信息隱含機(jī)制，只要說(shuō)明子類與父類的關(guān)系，則父類的特征一般能自動(dòng)傳給它的子類，而傳播是一種強(qiáng)制性工具，需要在復(fù)合對(duì)象中顯式定義它的每個(gè)成員對(duì)象，并說(shuō)明它需要傳播哪些屬性值。三、GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)類型1、基于文件管理的方式2、文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理系統(tǒng)－－雙元模型幾何圖形:圖形用戶界面與圖形文件處理是一體的，中間沒(méi)有裂縫。屬性數(shù)據(jù)，則因系統(tǒng)和歷史發(fā)展而異圖形與屬性結(jié)合的各自分開(kāi)處理模式--------早期系統(tǒng):

圖形處理的用戶界面和屬性的用戶界面是分開(kāi)的，它們只是通過(guò)一個(gè)內(nèi)部碼連接。通常要同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)系統(tǒng)，甚至兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)回切換，不方便。圖形與屬性結(jié)合的混合處理模式

GIS通過(guò)DBMS提供的高級(jí)編程語(yǔ)言C或Fortran等接口，在C語(yǔ)言的環(huán)境下，直接操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，并在GIS的用戶界面下，顯示查詢結(jié)果。在ODBC(OpenDataBaseConnectivity,開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)互連)推出后，GIS軟件商只需開(kāi)發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可將屬性數(shù)據(jù)與任何一個(gè)支持ODBC的RDBMS連接。這樣用戶可在一個(gè)界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。3、全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)—分層模型