空間數(shù)據(jù)庫(kù)概論

空間數(shù)據(jù)庫(kù)概論目錄西安電子科技大學(xué).空間數(shù)據(jù)庫(kù)2空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)3空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)4司機(jī)最近加油站在哪里？5空間數(shù)據(jù)庫(kù)與我們的生活1空間數(shù)據(jù)庫(kù)與我們的生活空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)成功應(yīng)用于GIS、CAD、VLSI、機(jī)器人制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療影像、移動(dòng)對(duì)象等諸多領(lǐng)域?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)與我們的生活空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成空間數(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)空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序是GIS在計(jì)算機(jī)物理存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)總和，一般以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件形式組織在存儲(chǔ)介質(zhì)上?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)量巨大2、數(shù)據(jù)種類多而復(fù)雜3、數(shù)據(jù)應(yīng)用面廣是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義和邏輯上的定義，提供必需的空間數(shù)據(jù)查詢檢索和存取功能，以及能夠?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)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)的比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)連續(xù)性/相關(guān)性不連續(xù)相關(guān)性小連續(xù)較強(qiáng)空間相關(guān)性實(shí)體類型/空間關(guān)系少簡(jiǎn)單固定多復(fù)雜且不固定記錄長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)化等長(zhǎng)非結(jié)構(gòu)化不等長(zhǎng)查詢與操作文字、數(shù)字文字?jǐn)?shù)字空間圖形空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)——空間數(shù)據(jù)庫(kù)空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)——空間數(shù)據(jù)的集合數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)非空間數(shù)據(jù)描述空間實(shí)體的位置、形狀和相互關(guān)系的數(shù)據(jù)，以坐標(biāo)和拓?fù)潢P(guān)系的形式存儲(chǔ)。即屬性數(shù)據(jù)。主要是對(duì)空間數(shù)據(jù)的說明。E.g.：一個(gè)城市點(diǎn),它的屬性數(shù)據(jù)有人口，GDP，綠化率等等描述指標(biāo)。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)的分類空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)依照現(xiàn)實(shí)理論的不同分類：文件-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)——空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)文件-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)用文件系統(tǒng)管理幾何圖形數(shù)據(jù)，用RDBMS管理屬性數(shù)據(jù)，幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間通過對(duì)象標(biāo)識(shí)或內(nèi)部連接碼（OID）進(jìn)行連接。兩者獨(dú)立地組織、管理和檢索。GIS通過DBMS提供的高級(jí)語(yǔ)言接口(C/Java等)、或ODBC操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，在一個(gè)GUI界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)：文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的數(shù)據(jù)恢復(fù)方面缺少基本的功能。多用戶操作的并發(fā)控制比商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)遜色得多。圖形用戶界面GUICC/Java/ODBC圖形處理RDBMS圖形數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)庫(kù)全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)圖形和屬性數(shù)據(jù)都用RDBMS來管理，由GIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)RDBMS頂層開發(fā)一個(gè)能管理空間數(shù)據(jù)的功能模塊。常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)擴(kuò)展：加入一定數(shù)量的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理功能。例如：Oracle系統(tǒng)。用RDBMS管理圖形數(shù)據(jù)的兩種模式：模式1：圖形數(shù)據(jù)按關(guān)系模型組織。由于涉及一系列關(guān)系連接運(yùn)算，相當(dāng)費(fèi)時(shí)。模式2：將圖形數(shù)據(jù)的變長(zhǎng)部分處理成二進(jìn)制Block字段。即:將坐標(biāo)數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)Block由RDBMS進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，省去大量關(guān)系連接操作，但Block的讀寫效率比定長(zhǎng)的屬性字段慢得多，特別涉及對(duì)象的嵌套時(shí)，更慢。GIS應(yīng)用擴(kuò)展DBMS以管理空間數(shù)據(jù)商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

DBMS軟件商或GIS軟件商基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)在RDBMS中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲(chǔ)和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Oracle

Spatial、ESRI的ArcSDE、MapInfo的SpatialWare都定義了操縱點(diǎn)、線、面等空間對(duì)象的API。主要解決空間數(shù)據(jù)的變長(zhǎng)記錄的管理，效率比全關(guān)系型二進(jìn)制Block的管理高得多?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)引擎：添加一層空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎以獲得常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)功能之外的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的能力。例如：ESRI的SDE（SpatialDatabaseEngine）缺點(diǎn)：仍沒有解決對(duì)象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)GIS要求再定義，使用上受一定限制。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)永久性、外存管理、數(shù)據(jù)共享（并發(fā)）、數(shù)據(jù)可靠性（事務(wù)管理和恢復(fù)）、即席查詢工具和模式修改類/類型、封裝性/數(shù)據(jù)抽象、繼承性、多態(tài)性/滯后聯(lián)編、計(jì)算完備性、對(duì)象標(biāo)識(shí)、復(fù)雜對(duì)象和可擴(kuò)充性當(dāng)前已推出了幾個(gè)OODBMS（如O2），也出現(xiàn)了基于OODBMS的GIS（GDE），但由于OODBMS價(jià)格昂貴、技術(shù)也不成熟，目前在GIS領(lǐng)域不太通用。對(duì)象-關(guān)系DBMS是空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主流?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)——空間數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)司機(jī)最近加油站在哪，附近有沒有餐館（GPS）軍隊(duì)指揮家敵軍動(dòng)向(電子沙盤)公司供貨經(jīng)理新的物流倉(cāng)庫(kù)和零售店應(yīng)建在什么地方(選址)交通專家路網(wǎng)建設(shè)怎樣能改善交通狀況(網(wǎng)絡(luò)分析)應(yīng)急服務(wù)求助人的位置?最佳路線怎么走(最短路徑分析停車場(chǎng)附近有哪些停車場(chǎng),有多少空位(GPS+LBS(通過電信移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無線電通訊網(wǎng)絡(luò)(如GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng))或外部定位方式(如GPS)獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息))突發(fā)公共衛(wèi)生事件感染源在哪里?帶有5000m緩沖的隔離區(qū),發(fā)生原因及趨勢(shì)(空間自相關(guān)空間分析)……空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理適用的行業(yè)和人群舉例：司機(jī)最近加油站在哪里？定位司機(jī)位置加油站分布方圓1公里計(jì)算最短路徑舉例：司機(jī)最近加油站在哪里？方圓1公里計(jì)算最短路徑定位司機(jī)位置GPS定位空間數(shù)據(jù)組織加油站分布空間數(shù)據(jù)的組織基于圖層的空間數(shù)據(jù)組織ImageDEMPointPolygonLineLine基于圖層的空間數(shù)據(jù)組織“分幅、分層”是GIS數(shù)據(jù)組織的最基本最主要的方法，“分層”是基于幾何要素分類(點(diǎn)、線、面、體等)而實(shí)現(xiàn)的，按照地物抽象成的幾何要素被人為劃分為多個(gè)圖層(如點(diǎn)層、線層、面層)。組織方式：地圖(圖幅)→圖層→空間對(duì)象→坐標(biāo)對(duì)分幅分層點(diǎn)線面對(duì)象地圖線道路河流分層組織方式的缺陷：對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的地理現(xiàn)象進(jìn)行幾何抽象往往忽視了地理現(xiàn)象的本質(zhì)特性及現(xiàn)象之間復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致獲取的空間信息被極大地簡(jiǎn)化，降低了GIS的信息容量。注重空間位置的描述，較少考慮以分類屬性和相互關(guān)系為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)化實(shí)體的內(nèi)在規(guī)律描述，致使空間分析能力相對(duì)較弱。分幅分層的方法把現(xiàn)實(shí)世界劃分為一系列具有嚴(yán)格邊界的圖層，但這些邊界并不能充分反映客觀現(xiàn)實(shí)，從而造成許多人為誤差。ImageDEMPointPolygonLineLine舉例：司機(jī)最近加油站在哪里？計(jì)算最短路徑定位司機(jī)位置GPS定位空間數(shù)據(jù)組織加油站分布空間數(shù)據(jù)查詢方圓1公里空間數(shù)據(jù)查詢空間關(guān)系的查詢非空間屬性查詢前兩者結(jié)合查詢空間數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)主要功能就是能夠進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢。復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)查詢功能大致可以分為3類：例如：查詢一條公路途經(jīng)的所有城鎮(zhèn)。例如：查詢一個(gè)城市的數(shù)量。例如：查詢距離某條河流的距離大于500的土地利用單元。空間數(shù)據(jù)查詢類型空間數(shù)據(jù)查詢類型空間數(shù)據(jù)庫(kù)索引建立空間數(shù)據(jù)索引的目的：在空間數(shù)據(jù)庫(kù)里快速地查找到所需要的空間信息?？臻g索引的類型范圍索引空間索引的類型網(wǎng)格空間索引空間索引的類型四叉樹索引空間數(shù)據(jù)的表達(dá)湖泊河道居民地路流矢量表達(dá)方式柵格表達(dá)方式空間數(shù)據(jù)的表達(dá)表達(dá)方式矢量表達(dá)方式柵格表達(dá)方式空間數(shù)據(jù)表達(dá)——矢量數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)以點(diǎn)、線、多邊形來表達(dá)地理要素(Feature)，它是表達(dá)具有精確形狀和邊界的離散對(duì)象的最佳方式。具有精確的形狀和位置、屬性和元數(shù)據(jù)以及有用的行為。要素的數(shù)據(jù)集線（Line）用一系列有序的x、y坐標(biāo)來記錄多邊形（Polygon）用環(huán)繞某區(qū)域的一系列線段的x、y坐標(biāo)來記錄點(diǎn)（Point）用一對(duì)坐標(biāo)來記錄要素的數(shù)據(jù)集點(diǎn)用來表示那些沒有面積或長(zhǎng)度的地理要素，或者那些太小、在給定的地圖尺寸上不能清楚表示出來的要素。線用來表示那些具有一定長(zhǎng)度但沒有面積的對(duì)象，或者是那些在給定的地圖尺寸上其形狀非常窄的要素。多邊形用來表達(dá)區(qū)域如省、市、縣、人口普查地域、銷售領(lǐng)域、土壤單位、土地塊、土地利用區(qū)等。要素的空間尺度要素是地圖組成中的地理對(duì)象。地圖具有比例尺(Scale)，它決定了要素的空間尺寸，即要素到底是點(diǎn)、線，或是多邊形

。在大比例尺地圖上，每棵樹所在的地方都能分別表示出來；但由高于一定密度的樹組成的森林則用多邊形表示。在大比例尺地圖上，河流有很多拐彎的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和小的支流；但在小比例尺地圖上，線的細(xì)節(jié)被忽略了，一些小的支流被去除了。數(shù)據(jù)表達(dá)—柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)表達(dá)影像或連續(xù)數(shù)據(jù)，柵格中的每一個(gè)像元(像素)是一個(gè)可測(cè)量的量，像元值可以是整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。柵格數(shù)據(jù)集(rasterdataset)最常見的來源是衛(wèi)星影像或航空像片，還包括采樣數(shù)據(jù)，也可以是某個(gè)要素(如建筑物)的照片。柵格數(shù)據(jù)集在存儲(chǔ)和應(yīng)用高程、水位、污染濃度和環(huán)境噪聲等級(jí)等連續(xù)數(shù)據(jù)上有優(yōu)勢(shì)。柵欄數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)集(rasterdataset)以二維矩陣存貯每個(gè)像元的取樣值，每一個(gè)像元具有相同的寬度和高度。格網(wǎng)左上角的地理坐標(biāo)、像元的大小以及格網(wǎng)行和列數(shù)三者共同確定了柵格數(shù)據(jù)集的空間范圍。柵格數(shù)據(jù)集的像元值可以是整型，也可以是浮點(diǎn)型。值屬性表（valueattributetable,VAT）可以方便地與柵格數(shù)據(jù)集建立關(guān)聯(lián)。VAT保留了屬性值分類信息，可以通過增加屬性列來增加自定義的屬性。柵格數(shù)據(jù)集可以有一個(gè)或多個(gè)波段，每一個(gè)波段都具有相同的格網(wǎng)布局，但各波段代表不同的屬性。柵欄數(shù)據(jù)模型點(diǎn)(Point)用