武漢大學(xué)GIS地理信息系統(tǒng)第5部分課件

第五部分空間數(shù)據(jù)組織及空間數(shù)據(jù)庫(kù)1章節(jié)安排4.1空間數(shù)據(jù)組織及索引4.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)24.1空間數(shù)據(jù)組織及索引數(shù)據(jù)組織的分級(jí)圖幅內(nèi)的空間數(shù)據(jù)組織空間數(shù)據(jù)索引34.1.1數(shù)據(jù)組織的分級(jí)物理分級(jí)：比特字節(jié)字塊桶卷邏輯分級(jí)：數(shù)據(jù)項(xiàng)記錄文件數(shù)據(jù)庫(kù)4數(shù)據(jù)項(xiàng)可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫基本項(xiàng)、字段等。域：數(shù)據(jù)項(xiàng)及實(shí)體的屬性相對(duì)應(yīng)，有一定的取值范圍。域外的任何值視為無(wú)意義的取值。邏輯分級(jí)的相關(guān)概念5記錄由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。應(yīng)用程序輸入/輸出的邏輯單位。是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中信息處理和存儲(chǔ)的基本單位，是對(duì)一個(gè)實(shí)體信息描述的數(shù)據(jù)總和。邏輯分級(jí)的相關(guān)概念6關(guān)鍵字為了唯一標(biāo)識(shí)每個(gè)記錄，必須有記錄標(biāo)識(shí)符，也稱(chēng)關(guān)鍵字。一般由記錄的第一個(gè)關(guān)鍵字擔(dān)任。有主關(guān)鍵字、次關(guān)鍵字之分。邏輯分級(jí)的相關(guān)概念7數(shù)據(jù)庫(kù)具有特定聯(lián)系的數(shù)據(jù)集合。也可以看成是多類(lèi)型記錄的集合。其內(nèi)部構(gòu)造是文件的集合。文件之間存在某種聯(lián)系，不能孤立存在。邏輯分級(jí)的相關(guān)概念8數(shù)據(jù)庫(kù)及圖書(shū)館管理的比較94.1.2圖幅內(nèi)的空間數(shù)據(jù)組織（1）工作區(qū):通常將一幅圖或幾幅圖的范圍當(dāng)作一個(gè)工作單元或工作區(qū)。工作區(qū)包含了所有各層的空間數(shù)據(jù)。工作區(qū)通常按范圍定義。（2）工作層:工作是空間數(shù)據(jù)處理的一個(gè)工作單位?？砂舾蛇壿媽印＃?）邏輯層:具有多個(gè)地物類(lèi)組成。（4）地物類(lèi)（專(zhuān)題層）:具有相同屬性和意義的地物組合10文件是一給定類(lèi)型的（邏輯）記錄的全部具體值的集合。根據(jù)記錄的組織方式分為：順序文件索引文件直接文件倒排文件邏輯分級(jí)的相關(guān)概念114.1.3空間數(shù)據(jù)索引無(wú)縫圖層工作區(qū)索引目標(biāo)索引12一無(wú)縫圖層定義：將一個(gè)地區(qū)或城市看作一個(gè)整體（工程），用戶(hù)可以在這個(gè)工程內(nèi)任意、開(kāi)窗、放大、漫游、查詢(xún)、分析和制圖。處理方式：物理無(wú)縫圖層：以物理方式拼接為一個(gè)整體；邏輯無(wú)縫圖層：在邏輯位置上拼接成一個(gè)圖層?？臻g數(shù)據(jù)索引13無(wú)縫圖層示例空間數(shù)據(jù)索引——無(wú)縫圖層14物理方式和邏輯方式的區(qū)別物理圖層：直接將圖幅先進(jìn)行接邊處理，將分幅地圖文件進(jìn)行合并，得到空間上連續(xù)的圖層。邏輯圖層：不改變分幅圖層的物理存儲(chǔ)位置，建立跨圖幅地物的索引，實(shí)現(xiàn)對(duì)地物的跨圖幅操作?？臻g數(shù)據(jù)索引——無(wú)縫圖層15圖幅邏輯接邊示例空間數(shù)據(jù)索引——無(wú)縫圖層16二工作區(qū)索引基本思想：將圖層范圍分成若干個(gè)工作區(qū)；建立一個(gè)工程和它包含的工作區(qū)之間的空間索引文件?？臻g數(shù)據(jù)索引——工作區(qū)索引17工作區(qū)索引示例空間數(shù)據(jù)索引——工作區(qū)索引18三目標(biāo)索引基本思想：建立地物及鼠標(biāo)屏幕坐標(biāo)間的索引。分類(lèi)：窗坐標(biāo)索引格網(wǎng)索引BSP索引KDB樹(shù)索引R樹(shù)和R+樹(shù)索引CELL樹(shù)索引空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引191.窗坐標(biāo)索引基本思想：當(dāng)記錄每個(gè)空間對(duì)象的坐標(biāo)時(shí)，同時(shí)記錄其對(duì)象的最大、最小窗坐標(biāo)。窗坐標(biāo)：指完全包含該對(duì)象的最小外接矩形的對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)（矩形邊界平行坐標(biāo)軸）空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引20窗坐標(biāo)索引示意圖空間對(duì)象的窗范圍基于窗的空間對(duì)象檢索空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引212.格網(wǎng)索引基本思想：將工作區(qū)按一定的規(guī)則劃分為格網(wǎng)，記錄每一格網(wǎng)內(nèi)所包含的空間對(duì)象。建立空間索引的線性表，將格網(wǎng)按Morton碼進(jìn)行編碼，建立Morton及空間對(duì)象的關(guān)系。空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引22格網(wǎng)索引示例格網(wǎng)索引的編碼（Peano鍵）空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引233.BSP索引基本思想：將目標(biāo)空間逐級(jí)進(jìn)行一分為二的劃分?？臻g數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引244.KDB樹(shù)索引基本思想：是BSP樹(shù)向多維空間地?cái)U(kuò)展。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可以對(duì)多維空間的點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)索引，刪除和增加空間點(diǎn)對(duì)象很方便；缺點(diǎn)：不直接支持占據(jù)一定空間范圍的空間對(duì)象，如二維空間中的線及面?？臻g數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引255.R樹(shù)和R+樹(shù)索引基本思想：設(shè)計(jì)一些虛擬的圖框，將一些空間距離詳盡的空間對(duì)象包含在這些矩形框內(nèi)，矩形框包含空間對(duì)象的指針；判斷哪些虛擬矩形落在檢索窗口內(nèi)，進(jìn)一步判斷虛擬矩形中的哪些空間對(duì)象為被檢索對(duì)象。矩形框數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Rectangle-ID：矩形框的對(duì)象標(biāo)識(shí)；

Type：表示矩形框是虛擬對(duì)象還是實(shí)際空間對(duì)象；

Min-X,Min-Y,Max-X,Max-Y：矩形框的最大最小坐標(biāo)?？臻g數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引26構(gòu)造矩形框原則矩形之間盡可能少重疊；矩形盡可能包含更多的空間對(duì)象；矩形可以嵌套，即矩形可以包含更小的矩形?？臻g數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引27R+樹(shù)索引示例允許矩形相互重疊空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引286.CELL樹(shù)索引基本思想：借鑒BSP樹(shù)和R樹(shù)的機(jī)制，采用凸多邊形代替矩形作為劃分區(qū)域的基本單元；子空間不允許重疊?？臻g數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引29CELL樹(shù)索引示例空間數(shù)據(jù)索引——目標(biāo)索引304.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本理論空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基本概念空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式時(shí)間維的表示314.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)管理的發(fā)展歷程數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型32一數(shù)據(jù)管理的發(fā)展歷程程序管理階段（數(shù)據(jù)和程序一同存在)文件管理階段（數(shù)據(jù)和程序相獨(dú)立)數(shù)據(jù)庫(kù)管理階段（邏輯獨(dú)立/物理獨(dú)立)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)階段（面向主題組織)33二數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34三級(jí)模式外模式（子模式、用戶(hù)模式）：數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)用戶(hù)看到的數(shù)據(jù)視圖。概念模式（模式、邏輯模式）：數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述，是面向所有用戶(hù)的公共數(shù)據(jù)視圖。內(nèi)模式（存儲(chǔ)模式）：數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)部表示，是數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述。數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)35兩次映像外部模式及概念模式間的映象：定義了外部模式及概念模式間的關(guān)系，保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。概念模式及內(nèi)部模式間的映象：定義了數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理存儲(chǔ)間的關(guān)系，保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)36三數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）DBMS的功能DBMS的組成DBMS存取數(shù)據(jù)的基本過(guò)程37DBMS的功能數(shù)據(jù)庫(kù)定義數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)通信數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)38DBMS的組成語(yǔ)言處理程序系統(tǒng)運(yùn)行程序建立和維護(hù)程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)39DBMS存取數(shù)據(jù)的基本過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)40四數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)模型層次模型――層次型數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)模型――網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系模型――關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)面向?qū)ο竽Ｐ通D―面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)411.層次模型空間圖形的層次數(shù)據(jù)模型表示42層次模型的缺陷1）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；2）對(duì)任何對(duì)象的查詢(xún)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(xún)效率很低，很難進(jìn)行反向查詢(xún)；43層次模型的缺陷3）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；4）層次命令具有過(guò)程式性質(zhì)，要求用戶(hù)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；5）基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。442.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型圖形的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型表示45網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型缺陷1）由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶(hù)查詢(xún)的定位困難，要求用戶(hù)熟悉數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，知道自己所處的位置；2）網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過(guò)程式性質(zhì)，存在及層次模型相同的問(wèn)題；3）不直接支持對(duì)于層次結(jié)構(gòu)的表達(dá)；4）基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。46

3.關(guān)系數(shù)據(jù)模型47關(guān)系數(shù)據(jù)模型缺陷1）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；2）描述具有復(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)行不自然分解，導(dǎo)致存儲(chǔ)模式、查詢(xún)途徑及操作等方面顯得語(yǔ)義不甚合理；3）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(xiāo)較大的聯(lián)接操作，運(yùn)行效率不高。484.面向?qū)ο竽Ｐ?9面向?qū)ο竽Ｐ吞攸c(diǎn)1）可充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)；2）具有可擴(kuò)充性；3）可以模擬和操縱復(fù)雜對(duì)象。504.2.2空間數(shù)據(jù)庫(kù)基本概念定義：應(yīng)用于地理空間數(shù)據(jù)處理及信息領(lǐng)域的具有工程性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)。管理對(duì)象：主要是地理空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的組成：數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)514.2.3空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式52一混合結(jié)構(gòu)管理模式空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式53基本思想用兩個(gè)子系統(tǒng)分別存儲(chǔ)和檢索空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù):屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在常規(guī)的RDBMS中；幾何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中；兩個(gè)子系統(tǒng)間用標(biāo)識(shí)符聯(lián)系起來(lái)（即通過(guò)關(guān)鍵字聯(lián)系）?；旌辖Y(jié)構(gòu)管理模式54混合結(jié)構(gòu)管理模式的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于一部分建立在標(biāo)準(zhǔn)的RDBMS上，存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)比較有效、可靠。缺點(diǎn)：由于使用了兩個(gè)子系統(tǒng)，它們各自有自己的規(guī)則，查詢(xún)操作難以?xún)?yōu)化，存儲(chǔ)在RDBMS外的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)丟失數(shù)據(jù)項(xiàng)的語(yǔ)義。數(shù)據(jù)完整性的約束條件可能遭破壞，如在幾何空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)中目標(biāo)實(shí)體仍存在，但在RDBMS中卻已刪除?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式55二擴(kuò)展結(jié)構(gòu)管理模式空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式56基本思想采用同一DBMS存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，即在標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)上增加空間數(shù)據(jù)管理層;利用該層將結(jié)構(gòu)查詢(xún)語(yǔ)言（GeoSQL）轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的SQL查詢(xún)，借助索引數(shù)據(jù)的輔助關(guān)系實(shí)施空間索引操作。擴(kuò)展結(jié)構(gòu)管理模式57擴(kuò)展結(jié)構(gòu)管理模式的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：省去了空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)間的繁瑣連接，空間數(shù)據(jù)存取速度快。缺點(diǎn)：由于是存取、效率上總是低于DBMS中所用的直接操作過(guò)程，且查詢(xún)過(guò)程復(fù)雜。58三統(tǒng)一結(jié)構(gòu)管理模式空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式59基本思想在開(kāi)放型RDBMS基礎(chǔ)上擴(kuò)充空間數(shù)據(jù)表達(dá)功能；空間擴(kuò)展完全包含在DBMS中；用戶(hù)可使用自己的基本抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型（ADT）來(lái)擴(kuò)充DBMS。統(tǒng)一結(jié)構(gòu)管理模式60特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：在核心DBMS中進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型的直接操作很方便、有效，并且用戶(hù)還可以開(kāi)發(fā)自己的空間存取算法。缺點(diǎn)：用戶(hù)須在DBMS環(huán)境中實(shí)施自己的數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)有些應(yīng)用相當(dāng)困難。統(tǒng)一結(jié)構(gòu)管理模式61對(duì)象空間管理系統(tǒng)特點(diǎn)：支持變長(zhǎng)記錄支持對(duì)象的嵌套、信息繼承及傳播。應(yīng)用軟件：GDE、SmallWorld等。統(tǒng)一結(jié)構(gòu)管理模式624.2.4時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)目標(biāo)：反映空間目標(biāo)的時(shí)間特性。處理目標(biāo)：時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)空數(shù)據(jù)的更新時(shí)空數(shù)據(jù)的查詢(xún)63時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型1）時(shí)間片快照模型基本思想：對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。缺陷：冗余度大。642）底圖疊加模型基本思想：在底圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，記錄不同時(shí)間點(diǎn)的變化狀態(tài)。特點(diǎn)：比快照模型冗余度小。時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型653）時(shí)空合成模型基本思想：將每一次獨(dú)立的疊加變?yōu)橐淮涡缘暮铣莎B加；由變化累積為最小的變化單元，將變化歷史作為屬性賦予變化