空間數據管理:空間數據庫.ppt
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數據庫技術是計算機科學技術的一個重要分支。自1968年第一個商品化的數據庫管理系統(tǒng)IMS問世以來,數據庫技術得到了迅速發(fā)展。隨著計算機應用的不斷深入,數據庫的重要性日益被人們認識,它已成為信息管理、辦公自動化、計算機輔助設計等方面的主要手段。,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,一、數據庫的基本概念1、數據庫:(DataBase)是計算機系統(tǒng)對數據資源的一種管理技術,是存儲在計算機內的有序結構的數據集合。邏輯單位:從應用的角度來觀察數據,是從數據與其所描述的對象之間的關系來劃分數據層次,一般可分為數據項、數據項組、記錄、文件和數據庫。物理單位:數據在存儲介質上存儲單位,一般可分為位(比特)、字節(jié)、字、塊(物理記錄)和卷。,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,2、數據庫管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem,DBMS)是一個幫助用戶建立、使用和管理數據庫的軟件系統(tǒng),如ORACLE、SQL、DBASE、FoxBase/ForPro、Access等。,數據庫定義:全局邏輯數據結構定義、用戶數據庫定義、保密定義、信息格式定義。數據庫管理:系統(tǒng)控制、數據庫存取及更新管理、數據完整性及有效性控制、并發(fā)控制等。數據庫維護:數據庫建立、更新和數據庫重編、數據庫結構維護、數據庫恢復以及性能監(jiān)視等。數據庫通信:與操作系統(tǒng)的聯(lián)機處理、具有分時系統(tǒng)及遠程作業(yè)控制的相應接口及通信口。,,功能,第六章空間數據管理:空間數據庫5-1數據庫管理概述,3、數據庫系統(tǒng)(DataBaseSystem)是指計算機系統(tǒng)中引進數據庫后的系統(tǒng)構成。由數據庫、數據庫管理系統(tǒng)、數據庫管理員和用戶所組成。也就是說數據庫系統(tǒng)是由支持數據庫的硬件設備、軟件系統(tǒng)、專業(yè)領域的數據群體和管理人員構成的計算機運行系統(tǒng)。數據庫和數據管理系統(tǒng)是數據庫系統(tǒng)的主要組成部分。前者是以一定的組織方式存儲在一起的、相互關聯(lián)的數據集合,是應用程序利用數據資源的基礎。后者是用以管理數據庫的軟件,以保證數據庫以最佳的方式、最少的重復和最快的速度為多種應用服務。,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,二、數據庫系統(tǒng)的主要特征1、數據量大2、保存持久3、多用戶共享4、可靠性5、數據獨立性6、減少數據冗余7、數據的結構化,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,三、數據管理技術的發(fā)展(一)、人工管理(二)、文件管理系統(tǒng),共享數據文件的文件處理系統(tǒng),第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,1、數據文件的類型數據文件按其數據組織方式可以劃分為簡單文件、順序文件和索引文件3類。2、文件系統(tǒng)的特點文件的應用是計算機數據處理的重大進展。數據文件可以按名引用,應用程序通過文件管理系統(tǒng)與數據文件發(fā)生聯(lián)系,數據的物理結構與邏輯結構間有了簡單變換,簡化了程序員的數據管理工作。同時,一個應用程序可以和幾個數據文件發(fā)生聯(lián)系,增加了數據處理的靈活性。存在問題:(1)數據冗余度大(2)相同數據間沒有一致的保護措施(3)應用程序與數據結構互相依賴(4)增加了程序的復雜性,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,三、數據庫管理系統(tǒng)數據庫管理系統(tǒng)是在文件處理系統(tǒng)的基礎上進一步發(fā)展的系統(tǒng),在用戶應用程序和數據文件之間起到了橋梁作用。它的最大優(yōu)點是提供了兩者之間的數據獨立性,即應用程序訪問數據文件時,不必知道數據文件的物理存儲結構。當數據文件的存儲結構改變時,不必改變應用程序。,,數據文件1,數據文件2,數據文件3,應用程序1,應用程序2,輸出1,輸出2,,,,,,數據庫管理系統(tǒng),,,第六章空間數據管理:空間數據庫6-1數據庫管理概述,優(yōu)點:(1)集中控制(2)數據可以共享(3)數據的獨立性(4)易擴充新的數據庫應用(5)用戶直接訪問數據庫(6)冗余信息得到控制(7)多種用戶觀點缺點:(1)建立數據庫的費用較高(2)添加內容時變得復雜(3)風險集中化,第六章空間數據管理:空間數據庫6-2數據庫系統(tǒng)的主要數據模型,根據數據庫結構的不同劃分為以下幾種數據庫模型:層次模型網絡模型關系模型分布式模型面向對象模型,一、層次模型層次模型是數據處理中發(fā)展較早、技木上也比較成熟的一種數據模型。它的特點是將數據組織成有向有序的樹結構。層次模型由處于不同層次的各個結點組成。除根結點外,其余各結點有且僅有一個上一層結點作為其“雙親”,而位于其下的較低一層的若干個結點作為其“子女”。結構中結點代表數據記錄,連線描述位于不同結點數據間的從屬關系(限定為一對多的關系)。,原始地圖M,存在問題:1、由于層次結構的嚴格限制,對任何對象的查詢必須始于其所在層次結構的根,使得低層次對象的處理效率較低,并難以進行反向查詢。數據的更新涉及許多指針,插入和刪除操作也比較復雜。母結點的刪除意味著其下屬所有子結點均被刪除,必須慎用刪除操作。2、不能表達多對多聯(lián)系,并導致數據冗余度增加。3、數據獨立性較差。,層次數據庫將組織成一對多的關系結構,特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構等分級數據的組織。,地圖M的層次數據模型,二、網狀模型網絡數據模型是數據模型的另一種重要結構,它反映著顯示世界中實體間更為復雜的聯(lián)系,其基本特征是,結點數據間沒有明確的從屬關系,一個結點可與其它多個結點建立聯(lián)系。網絡模型用連接指令或指針來確定數據間的顯式連接關系,是具有多對多類型的數據組織方式,網絡模型將數據組織成有向圖結構。結構中結點代表數據記錄,連線描述不同結點數據間的關系。,優(yōu)點:是可以描述現(xiàn)實生活中極為常見的多對多的關系,其數據存貯效率高于層次模型,但其結構的復雜性限制了它在空間數據庫中的應用。網絡模型在一定程度上支持數據的重構,具有一定的數據獨立性和共享特性,并且運行效率較高。適用于數據間相互關系非常復雜的情況。問題:1、由于數據間聯(lián)系要通過指針表示,指針數據項的存在使數據量大大增加,當數據間關系復雜時指針部分會占大量數據庫存貯空間。2、修改數據庫中的數據,指針也必須隨著變化。因此,網絡數據庫中指針的建立和維護可能成為相當大的額外負擔。,三、關系模型,關系數據模型示意圖,在層次與網絡模型中,實體間的聯(lián)系主要是通過指針來實現(xiàn)的,即把有聯(lián)系的實體用指針連接起來。而關系模型則采用完全不同的方法。關系模型是根據數學概念建立的,實體本身的信息以及實體之間的聯(lián)系均表現(xiàn)為二維表,這種表就稱為關系。一個實體由若干個關系組成,而關系表的集合就構成為關系模型。關系模型不是人為地設置指針,而是由數據本身自然地建立它們之間的聯(lián)系,并且用關系代數和關系運算來操縱數據,這就是關系模型的本質。,優(yōu)點:1、能夠以簡單、靈活的方式表達現(xiàn)實世界中各種實體及其相互間關系,使用與維護也很方便。關系模型通過規(guī)范化的關系為用護提供一種簡單的用戶邏輯結構。所謂規(guī)范化,實質上就是使概念單一化,一個關系只描述一個概念,如果多于一個概念,就要將其分開來。2、關系模型具有嚴密的數學基礎和操作代數基礎——如關系代數、關系演算等,可將關系分開,或將兩個關系合并,使數據的操縱具有高度的靈活性;3、在關系數據模型中,數據間的關系具有對稱性,因此,關系之間的尋找在正反兩個方向上難度程度是一樣的,而在其它模型如層次模型中從根結點出發(fā)尋找葉子的過程容易解決,相反的過程則很困難。,四、面向對象模型面向對象的定義是指無論怎樣復雜的事例都可以準確地由一個對象表示。每個對象都是包含了數據集和操作集的實體,即是說,面向對象的模型具有封裝性的特點。面向對象就是用某物(對象),是什么(類),有什么(對象的狀態(tài)),能干什么(方法)的方式來描述程序的方法。1.面向對象的概念(1)對象與封裝性(Encapsulation)一個對象是由描述該對象狀態(tài)的一組數據和表達它的行為的一組操作(方法)組成的。一個對象object可定義成一個三元組:object=(ID,S,M)其中,ID為對象標識,M為方法集,S為對象的內部狀態(tài),(2)分類類是關于同類對象的集合,具有相同屬性和操作的對象組合在一起。屬于同一類的所有對象共享相同的屬性項和操作方法,每個對象都是這個類的一個實例,即每個對象可能有不同的屬性值??梢杂靡粋€三元組來建立一個類型:class=(CID,CS,CM)其中,CID為類標識或類型名,CS為狀態(tài)描述部分,CM為應用于該類的操作。顯然有,S∈CS和M=CM當object∈class時,(3)概括(Generalization)在定義類型時,將幾種類型中某些具有公共特征的屬性和操作抽象出來,形成一種更一般的超類。例如,將GIS中的地物抽象為點狀對象、線狀對象、面狀對象以及由這三種對象組成的復雜對象,因而這四種類型可以作為GIS中各種地物類型的超類。(4)繼承繼承是一種服務于概括的工具。在上述的概念中,子類的某些屬性和操作來源于它的超類,也就是說可以將超類的屬性和操作遺傳給子類及子類的子類。,(6)聯(lián)合(Association)在定義對象時,將同一類對象中的幾個具有相同屬性值的對象組合起來,為了避免重復,設立一個更高水平的對象表示那些相同的屬性值。(7)聚集(Aggregation)聚集是將幾個不同特征的對象組合成一個更高水平的對象。每個不同特征的對象是該復合對象的一部分,它們有自己的屬性描述數據和操作,這些是不能為復合對象所公用的,但復合對象可以從它們那里派生得到一些信息。例如,弧段聚集成線狀地物或面狀地物,簡單地物組成復雜地物。,,面向對象其實是現(xiàn)實世界模型的自然延伸。現(xiàn)實世界中任何實體都可以看作是對象。對象之間通過消息相互作用。另外,現(xiàn)實世界中任何實體都可歸屬于某類事物,任何對象都是某一類事物的實例?,F(xiàn)實世界中的對象均有屬性和行為,映射到計算機程序上,屬性則表示對象的數據,行為表示對象的方法(其作用是處理數據或同外界交互)。所謂封裝,就是用一個自主式框架把對象的數據和方法聯(lián)在一起形成一個整體??梢哉f,對象是支持封裝的手段,是封裝的基本單位。繼承是指一個對象直接使用另一對象的屬性和方法。事實上,我們遇到的很多實體都有繼承的含義。例如,若把汽車看成一個實體,它可以分成多個子實體,如:卡車、公共汽車等。這些子實體都具有汽車的特性,因此,汽車是它們的"父親",而這些子實體則是汽車的"孩子"。,6-3地圖數據模型總論,6.3.1地圖數據的基本組成空間定位1、空間數據空間量度空間結構空間聚合專題屬性數據(土壤類型、土地利用)2、非空間數據質量描述數據(名稱等)3、時間因素,,,6.3.2圖形數據的構模面條模型1、失量數據模型拓撲模型網格系統(tǒng)2、面片數據模型多邊形系統(tǒng)6.3.3專題屬性數據的構模常用的專題屬性數據構模是關系數據模型,,,6.3.4、圖形數據與專題屬性數據的連接,1、圖形數據與專題屬性數據分別管理2.對通用DBMS擴展以增加空間數據的管理能力3.屬性數據與圖形數據具有統(tǒng)一的結構4.圖形數據與屬性數據自成體系,GIS中的數據大多數都是地理數據,它與通常意義上的數據相比,具有自己的特點:地理數據類型多樣,各類型實體之間關系復雜,數據量很大,而且每個線狀或面狀地物的字節(jié)長度都不是等長的等等。地理數據的這些特點決定了利用目前流行的數據庫系統(tǒng)直接管理地理空間數據,存在著明顯的不足,GIS必須發(fā)展自己的數據庫-空間數據庫。,6.3.5GIS中空間數據庫的組織方式,傳統(tǒng)數據庫與空間數據庫的比較,,空間數據庫是一種應用于地理空間數據處理與信息分析領域的的數據庫,它所管理的對象主要是地理空間數據(包括空間數據和非空間數據)。傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)管理地理空間數據的局限性:(1)傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)管理的是不連續(xù)的、相關性較小的數字和字符;而地理信息數據是連續(xù)的,并且具有很強的空間相關性。(2)傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)管理的實體類型較少,并且實體類型之間通常只有簡單、固定的空間關系;而地理空間數據的實體類型繁多,實體類型之間存在著復雜的空間關系,并且還能產生新的關系(如拓撲關系)。(3)傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)存貯的數據通常為等長記錄的數據;而地理空間數據通常由于不同空間目標的坐標串長度不定,具有變長記錄,并且數據項也可能很大,很復雜。(4)傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)只操縱和查詢文字和數字信息;而空間數據庫中需要有大量的空間數據操作和查詢,如相鄰、連通、包含、疊加等。,6.3.5GIS中空間數據庫的組織方式,現(xiàn)行空間數據庫管理方案,基于文件與關系式數據庫的空間數據混合管理方案基于關系式數據庫的空間數據管理方案基于對象—關系式數據庫的空間數據管理方案。,,目前,大多數商品化的GIS軟件都不是采取傳統(tǒng)的某一種單一的數據模型,也不是拋棄傳統(tǒng)的數據模型,而是采用建立在關系數據庫管理系統(tǒng)(RDBMS)基礎上的綜合的數據模型,歸納起來,主要有以下三種:,文件關系數據庫混合管理方案,屬性數據建立在RDBMS上,數據存儲和檢索比較可靠、有效;幾何數據采用圖形文件管理,功能較弱,特別是在數據的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面,比商用數據庫要遜色得多??臻g數據分開存儲,數據的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件:Arc/Info,MapInfo,GenMap等,早期,GIS用戶界面,圖形處理,DBMS,,圖形文件庫,屬性數據庫,,,,,高級語言,ODBC協(xié)議,,,數據庫開發(fā),數據庫開發(fā),全關系式數據庫管理方案,屬性數據、幾何數據同時采用關系式數據庫進行管理空間數據和屬性數據不必進行煩瑣的連接,數據存取較快屬間接存取,效率比DBMS的直接存取慢,特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復雜的空間操作GIS軟件:System9,SmallWorld、Geovision等,對象關系數據庫管理方案,對現(xiàn)有的關系數據庫進行擴展,增加空間數據類型解決了空間數據變長記錄的存儲問題,由數據庫軟件商開發(fā),效率較高用戶不能根據GIS要求進行空間對象的再定義,因而不能將設計的拓撲結構進行存儲GIS軟件:TIGER,Geo++、GeoTropics等,,,- 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- 空間 數據管理 數據庫
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