4土地信息的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫

第四章土地信息的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術4.6數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運行與保護4.7常用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)簡介4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型土地信息系統(tǒng)的開發(fā)與應用需要經歷一個由現(xiàn)實世界到概念世界，再到計算機信息世界的轉化過程。目前，數(shù)據(jù)庫領域最常用的數(shù)據(jù)模型有五種：層次模型、網絡模型、關系模型、面向對象模型和時空數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型一、層次模型——構建用樹狀結構來表示實體之間聯(lián)系的模型稱為層次模型。它是以結點來表示數(shù)據(jù)庫中的記錄類型的有向樹一、層次模型——限制條件有且只有一個結點無父結點，即根結點除根結點之外，所有節(jié)點有且僅有一個父結點優(yōu)缺點：容易理解，單碼查找速度快，易于更新和擴充；但是多碼查找比較困難，一般需要較大的索引文件，所以產生數(shù)據(jù)冗余，不能表示實體之間多對多的聯(lián)系。4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型網絡模型——構建用網絡結構來表示實體之間聯(lián)系的模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型網絡模型——特點可以有零個或多個結點無父結點至少有一個結點有多于一個父結點容許兩個結點之間有兩種或多種聯(lián)系4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型網絡模型——實例4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型關系模型——基本概念關系模型是一個數(shù)學化的模型，它把數(shù)據(jù)的邏輯結構歸結為滿足一定條件的二維表中的元素，這種表稱為關系，關系的集合就構成關系模型。關系是一個二維表，表的每行對應一個元組，表的每列對應一個域。關系中的某一屬性組，若它的值唯一的標識了一個元組，則稱該屬性組為候選關鍵字。若一個關系中有多個候選關鍵字，則選定一個為主關鍵字。該關鍵字的諸屬性稱為主屬性，其余屬性叫非主屬性4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型關系模型中，文件中存放兩類數(shù)據(jù)：一是實體本身的數(shù)據(jù)，二是實體之間的聯(lián)系。這里的聯(lián)系是通過連接字段實現(xiàn)的4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型面向對象模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型時空模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.1土地信息的數(shù)據(jù)模型4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)結構的分類：矢量數(shù)據(jù)結構柵格數(shù)據(jù)結構矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構一、空間數(shù)據(jù)的拓撲關系1、拓撲的基本概念拓撲關系是明確定義空間關系的一種數(shù)學方法。在土地系統(tǒng)中用來描述并確定空間點、線、面關系及其屬性，并可實現(xiàn)相關的查詢和檢索。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構2、拓撲關系的類型拓撲關聯(lián)關系拓撲關聯(lián)性表示空間圖形中不同類型元素，如結點、弧段及多邊形之間的拓撲關系。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構拓撲領接關系表示圖形中同類元素之間的拓撲關系4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構拓撲包含關系拓撲包含性是表示空間圖形中，面狀實體中所包含的其它面狀實體或線狀、點狀實體的關系。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構3、拓撲關系的關聯(lián)表達全顯式表達全顯式表達不僅明確表示空間數(shù)據(jù)多邊形→弧段→點之間拓撲關系，同時還明顯表達點→弧段→多邊形之間關系。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構半隱式表達4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4、拓撲關系9元組在四元組基礎上，Egenhofer將此擴展到九元組，即空間拓撲關系可由兩實體的邊界(?A、?B)、內部(A0、B0)和外部(A?1

，B?1)三部分相交構成的3×3九元組來決定,即A的內部（A0）、邊界（?A）和外部（A?1

）與B的內部（B0）、邊界（?B）和外部（B?1）之間的交,可表達為:4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構二矢量數(shù)據(jù)結構通過記錄坐標的方式描述空間目標——點、線、面的數(shù)據(jù)組織方法。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構矢量數(shù)據(jù)優(yōu)缺點：4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構（一）常用的矢量數(shù)據(jù)結構1、完整多邊形結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構2、二元獨立地圖編碼文件結構（DIME）DIME本身不生成GIS數(shù)據(jù)庫相應數(shù)據(jù)庫組織，它只是作為可用于不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換格式，其結構由兩結點或終點的線段來定義特點：以線段為主的記錄方式，這里的線段是用起始結點，終止結點及相鄰左多邊形和右多邊形作為基本代碼形成的拓撲關系是一種具有拓撲功能的編碼方法4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構3弧-結點結構在弧-結點結構中，地物或目標在數(shù)據(jù)庫中的結構是分層次的。在弧段中，點是基本元素，弧段是由X-Y坐標定義的各個線段，結點為弧點或弧交叉點，多邊形由一系列弧封閉而成。4、Polyvrt數(shù)據(jù)結構美國計算機及圖形分析實驗室研制了一種數(shù)據(jù)結構Polyvrt，它的基本元素是鏈段。鏈段有兩個端點（結點）和兩個面域，可由任意多個點構成。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構5、關系結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構（二）矢量數(shù)據(jù)拓撲關系的自動建立1、鏈的組織找出在鏈的中間相關而不是在端點相關的情況，自動切成新鏈；把鏈按一定順序存儲，這樣查找和檢索都比較方便，然后把鏈按照順序編號。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構2、結點匹配把一定限差內的鏈的端點作為一個結點，去掉在數(shù)據(jù)輸入過程中形成的結點過交、懸掛線等現(xiàn)象，其坐標值取多個端點的平均值。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構對于以線段為核心輸入數(shù)據(jù)的方法，通常只有少量的結點直接輸入，大量的結點需要經矢量求交獲取，再以結點為核心分割弧段，得到全部弧段數(shù)據(jù)。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構3、檢查多邊形是否閉合可以通過判斷一條鏈的端點是否有與之匹配的端點來進行。4、建立多邊形多邊形自動生成的實質是根據(jù)分割好的各弧段及擬合匹配的結點信息，搜索組成每個多邊形的各弧段，自動建立多邊形的拓撲關系。搜索多邊形的方式可以是順時針方向，也可以是逆時針方向。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構三、柵格數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行(或逐列)記錄代碼，可以每行都從左到右記錄，也可以奇數(shù)行從左到右，偶數(shù)行從右到左。這種記錄柵格數(shù)據(jù)的文件常稱為柵格文件，且常在文件頭中存有該柵格數(shù)據(jù)的長和寬，即行數(shù)和列數(shù)。這樣，具體的像元值就可連續(xù)存儲了。其特點是處理方便，但沒有壓縮4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構由于地理數(shù)據(jù)往往有較強的相關性，也就是說相鄰像元的值往往是相同的。因此，為了節(jié)省存儲空間，需要進行柵格數(shù)據(jù)的壓縮存儲

4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構1、游程長度編碼把具有相同屬性值的鄰近柵格單元合并在一起，合并一次稱為一個游程。游程用一對數(shù)字表達，其中，第一個值表示游程長度，第二個值表示游程屬性值。每一個新行都以一個新的游程開始

4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構2、塊狀編碼塊式編碼是將游程擴大到兩維情況，把多邊形范圍劃分成若干具有同一屬性的正方形，然后對各個正方形進行編碼。塊式編碼的數(shù)據(jù)結構由初始位置（行列號）、半徑和屬性代碼組成。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構采用方形區(qū)域作為記錄單元，數(shù)據(jù)編碼由初始位置行列號加上半徑，再加上記錄單元的屬性組成。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構3、四叉樹結構是根據(jù)柵格數(shù)據(jù)二維空間分布的特點，將空間區(qū)域按照4個象限進行遞歸分割（2n×2n，且n>1），直到子象限的數(shù)值單調為止，最后得到一棵四分叉的倒向樹。根結點：最上面的一個結點，它對應于整個圖形。葉子結點：不能再分的結點，可能落在不同的層上。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構四、TIN三角網與Voronoi圖動態(tài)空間數(shù)據(jù)結構泰森多邊形法，美國氣候學家A·H·Thiessen提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計算平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，將每個三角形的三條邊的垂直平分線的交點（也就是外接圓的圓心）連接起來得到一個多邊形。用這個多邊形內所包含的一個唯一氣象站的降雨強度來表示這個多邊形區(qū)域內的降雨強度，并稱這個多邊形為泰森多邊形。如圖，其中虛線構成的多邊形就是泰森多邊形。泰森多邊形每個頂點是每個三角形的外接圓圓心。泰森多邊形也稱為Voronoi圖TIN（TriangulatedIrregularNetwork）也名“曲面數(shù)據(jù)結構”，是由Peuker和他的同事于1978年設計的一個系統(tǒng)，它是根據(jù)區(qū)域的有限個點集將區(qū)域劃分為相等的三角面網絡，數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測點的密度和位置，能夠避免地形平坦時的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點表示數(shù)字高程特征。TIN常用來擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面。在所有可能的三角網中，狄洛尼（Delaunay)三角網在地形擬合方面運用的較普遍，因此常被用于TIN的生成。在狄洛尼三角網中的每個三角形可視為一個平面，平面的幾何特征完全由三個頂點的空間坐標值（x,y,z）所決定。存儲的時候，每個三角形分別構成一個記錄，每個記錄包括：三角形標識碼、該三角形的相鄰三角形標識碼、該三角形的頂點標識碼等。頂點的空間坐標值則另外存儲。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構五、矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結構新一代集成化的地理信息系統(tǒng)，要求能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，稱為四庫合一。關于圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，近年來已取得突破性的進展，不少GIS軟件商先后推出各自的空間數(shù)據(jù)庫引擎(SDE)，初步解決了圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化管理。而矢量與柵格數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)的觀念，認為是兩類完全不同性質的數(shù)據(jù)結構，當利用它們來表達空間目標時，對于線狀實體，人們習慣使用矢量數(shù)據(jù)結構。對于面狀實體，在基于矢量的GIS中，主要使用邊界表達法，而在基于柵格的GIS中，一般用元子空間填充表達法。由此，人們聯(lián)想到對用矢量方法表示的線狀實體，是不是也可以采用元子空間填充法來表示，即在數(shù)字化一個線狀實體時，除記錄原始取樣點外，還記錄所通過的柵格。同樣，每個面狀地物除記錄它的多邊形邊界外，還記錄中間包含的柵格。這樣，既保持了矢量特性，又具有柵格的性質，就能將矢量與柵格統(tǒng)一起來，這就是矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結構的基本概念。為了建立矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結構，要對點、線、面目標數(shù)據(jù)結構的存儲要求作如下的統(tǒng)一約定:

(1)對點狀目標，因為沒有形狀和面積，在計算機內部只需要表示該點的一個位置數(shù)據(jù)及與結點關聯(lián)的弧段信息。

(2)對線狀目標，它有形狀，但沒有面積，在計算機內部需用一組元子來填滿整個路徑，并表示該弧段相關的拓撲信息。

(3)對面狀目標，它既有形狀，又有面積，在計算機內部需表示由元子填滿路徑的組邊界和由邊界組成的緊湊空間。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構六、矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)比較分析4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構七矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉換4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構（一）基本要素轉換1、點的轉換實質是將點的矢量坐標轉換為柵格數(shù)據(jù)中的行值i和j，從而得到點在柵格元素中的位置。4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構2、線的轉換利用上述點的轉換方法，將點分別轉換為柵格數(shù)據(jù)，求出相應的柵格的行列值。由上述行列值求出直線所在行列值的范圍確定之間經過的中間柵格點4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構3、面的轉換-區(qū)域填充（1）射線法4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構（2）邊界點跟蹤法從邊界上某一柵格單元開始順時針方向跟蹤邊界上各柵格，這里將跟蹤的每個柵格分別賦予字符R,L和N，其中R表示該柵格同相鄰像素的行數(shù)不同，且行數(shù)增加的單元，L表示該柵格同相鄰像素的行數(shù)不同，且行數(shù)減少的單元，N表示該柵格極值單元或相鄰單元行數(shù)相同的單元，最后，逐行掃描根據(jù)填充字符值填充L-R之間的柵格。（二）邊界代數(shù)法是一種基于積分思想的矢量格式向柵格格式轉換算法，它適合于記錄拓撲關系的多邊形矢量數(shù)據(jù)轉換為柵格結構。它不是逐點判斷與邊界的關系完成轉換，而是根據(jù)邊界的拓撲信息，通過簡單的加減代數(shù)運算將邊界位置信息動態(tài)地賦給各柵格點，實現(xiàn)了矢量格式到柵格格式的高速轉換，而不需要考慮邊界與搜索軌跡之間的關系，因此算法簡單、可靠性好，各邊界弧段只被搜索一次，避免了重復計算4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構八柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉換其實質上將具有相同屬性代碼的柵格集合轉變成由少量數(shù)據(jù)組成的邊界弧段以及區(qū)域邊界的拓撲關系。（一）柵格數(shù)據(jù)矢量化的典型過程1、柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉換需要復雜的前處理4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構2、矢量化3、柵格數(shù)據(jù)矢量化后處理4.2空間信息的數(shù)據(jù)結構4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)三部分組成。（一）數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是按照一定的結構組織的相關數(shù)據(jù)的集合，是在計算機存儲設備上合理存放的相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指提供數(shù)據(jù)庫建立、使用和管理工具的軟件系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)則是指能夠對存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯定義，提供必需的空間數(shù)據(jù)查詢和存取功能，以及能夠對空間數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件系統(tǒng)。空間數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)是由土地信息系統(tǒng)的空間分析模型和應用模型所組成的軟件，它是為了滿足用戶數(shù)據(jù)處理需求而建立起來的，具有數(shù)據(jù)庫訪問功能的應用軟件，它提供給用戶一個訪問和操作特定數(shù)據(jù)庫的用戶界面4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫（二）數(shù)據(jù)庫的主要特征減少空間數(shù)據(jù)存儲的冗余度提供穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)結構，在用戶需要改變數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)結構能夠做出相應的變化滿足用戶對空間數(shù)據(jù)及時訪問需求，并能高效的提供用戶所需的空間數(shù)據(jù)查詢結果在數(shù)據(jù)元素間維持復雜的聯(lián)系，以反映空間數(shù)據(jù)的復雜性應用程序對數(shù)據(jù)資源的共享數(shù)據(jù)的獨立性統(tǒng)一管理，能夠用一個軟件統(tǒng)一管理這些數(shù)據(jù)4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫（三）數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構一般分為概念模型、外模式和內模式。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫1、概念模式

是數(shù)據(jù)庫的總框架，是對數(shù)據(jù)庫中關于目標存儲的邏輯結構和特征、基本操作、目標、目標與操作的關系和依賴的描述以及對數(shù)據(jù)的安全性、完整性等方面的定義。2、外模式又稱子模式，是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，屬于概念模式的一部分，描述用戶數(shù)據(jù)的結構、類型、長度等。3、內模式又稱存儲模式，是對數(shù)據(jù)庫在物理存儲器上具體實現(xiàn)的描述。規(guī)定了數(shù)據(jù)在存儲介質上的物理組織方式、記錄尋址技術、定義物理存儲塊的大小、溢出處理方法等。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫（四）空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界的抽象，它描述了數(shù)據(jù)的基本結構及其相互之間的關系和在數(shù)據(jù)上的各種操作，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中關于數(shù)據(jù)內容和數(shù)據(jù)間聯(lián)系的邏輯組織的形式表示，以抽象的形式描述和反映一個部門和系統(tǒng)的業(yè)務活動和信息流程。選擇和建立數(shù)據(jù)庫的目的是用最佳的方式反映本部門的業(yè)務對象及信息流程和以最佳的方式為用戶提供訪問數(shù)據(jù)庫的邏輯接口。數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)的約束條件是數(shù)據(jù)模型的三要素。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型中常用的概念：實體：是可以相互區(qū)別而又可以被人識別的事、物、概念的統(tǒng)稱。有具體的也有抽象的，有物理上存在的，也有概念性的。屬性：實體的屬性是描述實體的若干特征。聯(lián)系：是指實體和實體之間會有各種聯(lián)系碼：指唯一標識實體的屬性集域：指實體的取值范圍。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫二、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1、基于文件管理的方式各個地理信息系統(tǒng)應用程序對應各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當兩個GIS應用程序需要的數(shù)據(jù)有相同部分時，可以提出來作為公共數(shù)據(jù)文件。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫缺點：1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結構，數(shù)據(jù)文件修改時，應用程序也隨之需要改變。2）以文件形式共享，當多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應用的許可。不能達到真正的共享，即數(shù)據(jù)項、記錄項的共享。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫2、文件與關系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)隨著數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展及商用關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的成熟，GIS也開始采用數(shù)據(jù)庫技術來管理空間數(shù)據(jù)，但由于一般關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不適于存儲和管理空間數(shù)據(jù)，目前大部分GIS軟件采用混合管理模式，即文件系統(tǒng)管理幾何圖形數(shù)據(jù)，商用關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理屬性數(shù)據(jù)，它們之間的聯(lián)系通過目標標識碼進行連接4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫3、全關系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)—分層模型將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一用現(xiàn)有的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理，但標準關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)又不能直接處理空間數(shù)據(jù)，GIS軟件商在標準關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的功能4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫用關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理圖形數(shù)據(jù)有兩種模式：1）基于關系模型的方式，圖形數(shù)據(jù)按關系數(shù)據(jù)模型組織。由于涉及一系列關系連接運算，費時。2）將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成BinaryBlock字段，BinaryBlock即二進制塊字段是為適用于多媒體或變長文本而開發(fā)的。這種方式省去大量關系連接操作，但BinaryBlock的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫4、對象--關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件商在關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進行擴展，使之能直接存儲和管理非結構化的空間數(shù)據(jù)(如Informix和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的ＡＰＩ函數(shù)。這些函數(shù)將各種空間對象進行預先定義，用戶使用時必須滿足它的數(shù)據(jù)結構要求，用戶不能根據(jù)GIS要求再定義。如，這種函數(shù)涉及的空間對象一般不帶拓撲關系，多邊形的數(shù)據(jù)是直接跟隨邊界的空間坐標，用戶不能將設計的拓撲數(shù)據(jù)結構采用這種模型進行存儲。這種擴展的空間對象管理模塊主要解決空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，由于是由數(shù)據(jù)庫軟件商擴展的，效率比二進制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結構不能由用戶定義，使用上受一定限制。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫5、面向對象空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向對象（object-oriented，oo）的概念起源于程序設計語言——面向對象的編程語言(簡稱OOPL)，強調對象概念的統(tǒng)—，引入對象、對象類、方法、實例等概念和術語，采用動態(tài)聯(lián)編和單繼承性機制。它以OOPL為核心，集各種軟件開發(fā)工具為一體，建立OO計算環(huán)境，配有很強的圖形功能和多窗口用戶界面。基本出發(fā)點就是以對象作為最基本的元素，盡可能按照人類認識世界的方法和思維方式來分析和解決問題。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫三、空間數(shù)據(jù)組織無論采用上述何種模式管理空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)的組織方式均非常重要。不同的管理模式所對應的空間數(shù)據(jù)組織方式可能不一樣，不同的GIS系統(tǒng)之間，其空間數(shù)據(jù)組織方式也不相同。下面以文件-關系型管理模式為例，討論空間數(shù)據(jù)的組織問題。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫1、空間圖形數(shù)據(jù)的組織GIS中將某一問題域或某一項GIS任務稱為一個GIS工程。由于GIS工程涉及范圍廣（如全市、全省、全國甚至全球），在管理空間數(shù)據(jù)時必須進行分幅管理（同傳統(tǒng)地圖分幅）。圖幅一般對應一塊區(qū)域，常見的分幅方式有標準分幅和區(qū)域分幅。例如研究縣域的土地利用現(xiàn)狀圖就會有鄉(xiāng)鎮(zhèn)分幅和1：1萬分幅兩種形式。上世紀90年代以來，在新的應用需求和技術條件下，人們需要“無縫、無邊界”的地圖。在這種方式下，分幅管理表現(xiàn)為無縫大圖上的分幅和分區(qū)索引，以滿足用戶對具體的局部區(qū)域和專題層的操作和檢索需要。根據(jù)需要往往將一幅或相鄰幾幅圖當作一個工作單元，稱之為工作區(qū)（workspace）。其組成關系如圖所示。工作層被定義為空間數(shù)據(jù)處理的一個工作單元，工作區(qū)由若干工作層組成。如圖所示，道路、水系、居民地等可看作工作層，在此基礎上構建了工作區(qū)。工作區(qū)中，除了包含相應圖幅的各層空間數(shù)據(jù)之外，還包含對數(shù)據(jù)庫的連接與操作。用戶可以隨時將當前工作環(huán)境以某一工作區(qū)版本的方式存儲下來，下次打開該工作區(qū)時，GIS系統(tǒng)根據(jù)該工作區(qū)的組成，調出屬于它的工作層，就可以直接恢復進入原有工作狀態(tài)。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫工作層在范圍上可能與工作區(qū)一致，但在垂直方向上則因軟件系統(tǒng)不同而名稱和定義不同。ARC/INFO的工作層稱為coverage，一個coverage就是一個工作目錄，該目錄下包含控制點信息文件，標示點文件、弧段文件、多邊形文件等；MGE的工作層就是一個DGN文件，也稱為cotalog；在GeoStar中，一個工作層就是一個GDA文件。一個工作層可以是一個邏輯層，也可以是某一個覆蓋層。工作層由一種或多種地物類組成，可以根據(jù)需要自行定義。例如一個工作層可以是某一層地物，如交通線；甚至是某一類地物，如地鐵；還可以是多層地物，甚至可以包含一個工作區(qū)的所有各層地物。MGE和GeoStar等軟件的工作層對所包含的地物層的內容不象coverage限定嚴格（一個coverage中不允許同時有點狀地物和面狀地物），定義工作層純粹為了提高工作效率和方便需要。許多情況下，一個工作層就是一個工作區(qū)，此時邏輯層的概念比較重要。在工作層的基礎上，如果研究對象過于龐雜（例如所有地物類），或者需要分類研究，或者為了顯示、制圖和查詢方便，仍需要對其進行分層，此時進行可以進行邏輯層（logiclayer）的劃分。如研究全國道路交通網，可以需要分別研究鐵路、公路（高速公路、等級公路、等外公路）等，此時，可以在道路層的基礎上劃分邏輯層。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫2、屬性數(shù)據(jù)的組織屬性數(shù)據(jù)由關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理，但它的文件組織方式也要服從上述工作層、工作區(qū)和圖庫的要求，以便于圖形文件協(xié)調工作，共同組成工作區(qū)、工作層，并進行跨圖幅操作。在不同的商業(yè)化軟件中，屬性文件組織方式各不相同。主要的三種方式如下：⑴與工作層對應的組織方式：一個工作區(qū)對應一個屬性文件，屬性文件建立在工作區(qū)目錄下。Arc/Info采用這種方式，屬性數(shù)據(jù)文件一般建立在對應的coverage目錄之下。無論一個工作區(qū)包含多少地物類，其目錄下僅有一個AAT表（記錄弧段屬性數(shù)據(jù)）和一個PAT表（記錄多邊形屬性數(shù)據(jù)）。為了表達不同地物類的不同屬性項，可以按照每個地物類建立一個擴展的屬性表，讓它們通過地物編碼和內部連接碼與AAT表和PAT表相連。因此在查詢某一空間地物的屬性時，先從AAT表和PAT表中得到部分信息，再從關系連接查詢到擴展屬性信息。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫⑵與地物類對應的組織方式：一個地物類文件對應一個屬性表，在這種方式中，可以把這些屬性文件放在工程（項目）目錄下集中管理，以方便屬性查詢MGE的屬性數(shù)據(jù)文件是建立在地物類的基礎上，而且將所有的屬性文件均放在對應的工程目錄之下。也就是說，不同工作區(qū)的相同地物類的屬性是放在一起的，這樣屬于屬性的工程管理，而且大大提高了在工程范圍內查找某一屬性的速度。需要注意的是，MGE并不要求每個地物類都帶有屬性表，一些無關緊要的地物可以不要屬性表，這位GIS的空間數(shù)據(jù)組織提供了一定的靈活性。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫⑶混合方式：由于上述兩種方式都存在一定缺陷，例如一個工作區(qū)對應一個屬性文件時，如果工作區(qū)涉及多個工作層，工作層下再細分出邏輯層，采用這種管理方式會給屬性信息檢索和更新帶來極大不便；采用單個地物類對應單屬性數(shù)據(jù)時又過于死板，更具彈性的方式是既可以設計一個地物類有一個屬性表，又可以多個地物類共用一個屬性。GeoStar的屬性數(shù)據(jù)文件組織與管理方式吸收了前兩者的優(yōu)點，在GeoStar中，既可以對每一個地物類設計屬性表，也可以對屬性項相同或相近的多個地物類設計一個公用的屬性表。以交通地理信息系統(tǒng)為例，高速公路、一級公路、二級公路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路等，它們的地物類型編碼可能不同，但它們的屬性項可能相同，因而它們可以共有一個屬性表，以便于查詢、顯示和最佳路徑分析；GeoStar的屬性數(shù)據(jù)文件的組織則于MGE基本類似，在建立工程之前，屬性數(shù)據(jù)文件位于與工作區(qū)平行的目錄之下；在工程建立之后，則直接位于工程目錄之下。一個屬性文件包括了該工程內所有同類空間對象的屬性，當屬性文件趨于龐大時，則有必要建立關鍵字索引機制。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫四、土地信息空間數(shù)據(jù)庫的設計（一）空間數(shù)據(jù)庫設計概述包括概念設計、邏輯設計和物理設計幾個步驟。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫（二）數(shù)據(jù)庫設計內容1、需求分析用系統(tǒng)的觀點分析與某一特定的數(shù)據(jù)庫應用有關的數(shù)據(jù)集合。需求分析是整個數(shù)據(jù)庫設計與建立的基礎，主要包括調查用戶需求、需求數(shù)據(jù)的收集和分析以及編制用戶需求說明書。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫2、概念設計對需求分析階段所搜集的信息和數(shù)據(jù)進行分析、整理，確定地理實體、屬性及他們之間的聯(lián)系，將各個用戶的局部視圖合并成一個全局視圖，形成獨立于計算機的反映用戶需求的概念模型。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫3、邏輯設計其任務是把信息世界中的概念模型利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所提供的工具映射為計算機世界中為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型，并用數(shù)據(jù)描述語言表達出來，其步驟：初始模式形成子模式設計模式評價優(yōu)化模式4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫4、物理設計指數(shù)據(jù)庫存儲結構和存儲路徑的設計，即將數(shù)據(jù)庫的邏輯模型在實際的物理存儲設備上加以實現(xiàn)，從而建立一個具有良好性能的物理數(shù)據(jù)庫。該過程依賴于給定的計算機系統(tǒng)。其步驟：存儲記錄的格式設計存儲方法設計訪問方法設計完整性和安全性考慮應用設計形成物理設計說明書4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫五、土地信息空間數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)（一）元數(shù)據(jù)的概念元數(shù)據(jù)（Metadata），又稱中介數(shù)據(jù)、中繼數(shù)據(jù)，為描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)（dataaboutdata），主要是描述數(shù)據(jù)屬性（property）的信息，用來支持如指示存儲位置、歷史數(shù)據(jù)、資源查找、文件記錄等功能。關于數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)域及其關系的信息，簡言之，元數(shù)據(jù)就是關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)的主要內容：4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎一、數(shù)據(jù)訪問的基本方式1、開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)（ODBC）為比較早期的數(shù)據(jù)庫訪問技術。由以下幾部分組成：1）應用程序2）ODBC管理器3）驅動程序管理器4）ODBCAPI5）ODBC驅動程序6）數(shù)據(jù)源4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎2、數(shù)據(jù)訪問對象（DAO）是第一個面向對象的接口，顯露了MicrosoftJet數(shù)據(jù)庫引擎，并允許VB開發(fā)者通過ODBC像直接連接到其他數(shù)據(jù)庫一樣，直接連接到Access表。3、遠程數(shù)據(jù)對象（RDO）是微軟的一個應用程序接口（API），讓寫Windows應用程序的程序師能夠進入微軟和其他數(shù)據(jù)庫供給者的數(shù)據(jù)庫。4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎4對象鏈接嵌入數(shù)據(jù)庫（OLEDB）是微軟的戰(zhàn)略性的通向不同的數(shù)據(jù)源的低級應用程序接口。OLEDB不僅包括微軟資助的標準數(shù)據(jù)接口開放數(shù)據(jù)庫連通性（ODBC）的結構化問題語言（SQL）能力，還具有面向其他非SQL數(shù)據(jù)類型的通路。作為微軟的組件對象模型（COM）的一種設計，OLEDB是一組讀寫數(shù)據(jù)的方法（在過去可能被稱為渠道）。OLDDB中的對象主要包括數(shù)據(jù)源對象、階段對象、命令對象和行組對象。4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎5、ActiveX數(shù)據(jù)對象（ADO）是微軟推出的具有訪問數(shù)據(jù)庫功能的應用構件。ADO結合了OLEDB易于使用的特性以及RemoteDataObjects（RDO）和DataAccessObjects（DAO）模型中的最好特性，并將它們重新組織在一個對象模型中。ADO包含所有可以被OLEDB標準對象描述的數(shù)據(jù)類型，即ADO對象模型具有可擴展性，它不需要部件做任何工作，即使對于那些從來沒有想到過或見到過的記錄集的信息格式，只要使用正常的ADO編程對象，就能夠可視化地處理所有的事情。ADO對象模型給開發(fā)人員提供了一種快捷、簡單、高效的數(shù)據(jù)庫訪問方法，可以在腳本中使用ADO對象建立對數(shù)據(jù)庫的連接，并從數(shù)據(jù)庫中讀取記錄，形成實際要使用的對象集合。4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎二、數(shù)據(jù)庫引擎的基本功能數(shù)據(jù)庫引擎是用于存儲、處理和保護數(shù)據(jù)的核心服務。利用數(shù)據(jù)庫引擎可以控制訪問權限并快速處理事務，從而滿足企業(yè)內大多數(shù)需要處理大量數(shù)據(jù)的應用程序的要求。SDE（SpatialDatabaseEngine空間數(shù)據(jù)庫引擎），是GIS系統(tǒng)借以實現(xiàn)，基于大型關系型數(shù)據(jù)庫的客戶/服務器模式的軟件，也叫中間件軟件，它相當于在空間圖形數(shù)據(jù)和大型關系型數(shù)據(jù)庫中，建立起了一道橋梁。。4.4數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫引擎ESRI最近推出了全新的空間數(shù)據(jù)庫管理軟件SDE——SpatialDatabaseEngine。用以支持超大型空間數(shù)據(jù)庫管理以及在網絡環(huán)境中對多用戶并發(fā)空間數(shù)據(jù)訪問的快速響應方面的應用(MissionCriticalApplication)。SDE采用真正的客戶/服務器體系結構的，是高性能、面向目標的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并提供一系列用于管理和訪問大型分布式的地理數(shù)據(jù)的功能，SDE為系統(tǒng)開發(fā)者和集成商提供了一個高效能分布式和多用戶的實時應用系統(tǒng)開發(fā)工具，它由一個多線程的空間數(shù)據(jù)庫服務器和客戶應用程序接口(API)組成SDE具有如下的主要特點：支持超大型數(shù)據(jù)集高性能的空間數(shù)據(jù)提取靈活、高性能的空間數(shù)據(jù)搜索專門為多用戶，分布式環(huán)境設計開放的體系結構邏輯上的無縫、連續(xù)的非瓦片式的空間目標數(shù)據(jù)模型兩階段事物提交控制支持多種硬件平臺具有有力而靈活的應用開發(fā)環(huán)境完整靈活的安全控制機制多用戶并發(fā)查詢的快速響應4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫三、常見的數(shù)據(jù)庫引擎介紹常見的數(shù)據(jù)庫引擎包括美國ERSI公司的ArcSDE美國Oracle公司的OracleSpatial美國MapInfor公司的MapInforSpatialWare中國超圖公司的SuperMapSDX4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫1ArcSDE是ArcGIS與關系數(shù)據(jù)庫之間的GIS通道。它允許用戶在多種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中管理地理信息，并使所有的ArcGIS應用程序都能夠使用這些數(shù)據(jù)。ArcSDE是多用戶ArcGIS系統(tǒng)的一個關鍵部件。它為DBMS提供了一個開放的接口，允許ArcGIS在多種數(shù)據(jù)庫平臺上管理地理信息。這些平臺包括Oracle，OraclewithSpatial/Locator，MicrosoftSQLServer,IBMDB2，和Informix。如果你的ArcGIS需要使用一個可以被大量用戶同步訪問并編輯的大型數(shù)據(jù)庫，ArcSDE為你提供必要的功能。通過ArcSDE你的ArcGIS可以在DBMS中輕而易舉地管理一個共享的、多用戶的空間數(shù)據(jù)庫。4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫功能：高性能的DBMS通道開放的DBMS支持多用戶連續(xù)、可伸縮的數(shù)據(jù)庫GIS工作流和長事務處理豐富的地理信息數(shù)據(jù)模型靈活的配置4.3土地信息空間數(shù)據(jù)庫SuperMapSDX+是SuperMapGIS平臺中的空間數(shù)據(jù)引擎，為SuperMapGIS中所有的產品提供訪問空間數(shù)據(jù)的能力，通過它來實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲、索引、讀取和更新。技術特點：安裝使用簡單，充分結合數(shù)據(jù)庫技術高性能管理和訪問海量空間數(shù)據(jù)完善的數(shù)據(jù)模型，滿足各種大型GIS的應用需求4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術一、多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合概述空間數(shù)據(jù)集成方式可以分為三種：直接操作格式轉換互操作格式轉換中間模塊操作轉換4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術1、直接操作格式轉換把其他格式的數(shù)據(jù)經過專門的數(shù)據(jù)轉化程序，變成本系統(tǒng)的格式，這是當前GIS軟件共享數(shù)據(jù)的主要方法，但是這種轉換模式會造成數(shù)據(jù)丟失。2、互操作格式轉換是OGC制定的規(guī)范，是指在異構數(shù)據(jù)庫和分布計算的情況下，GIS用戶在相互理解的基礎上，能透明的獲取所需要的信息。局限：統(tǒng)一標準的規(guī)范實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問接口短期內不能實現(xiàn)4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術用戶必須同時運行兩個GIS軟件才能完成數(shù)據(jù)互操作過程?，F(xiàn)有的GIS軟件生產出的GIS數(shù)據(jù)也要轉換到OpenGIS標準。3、中間模塊操作轉換是一種解決多源數(shù)據(jù)無縫集成比較理想的方法。這種模式在數(shù)據(jù)源與處理后的結果數(shù)據(jù)之間有一個獨立的處理模塊，以接口方式與二者獨立連接。4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術二、數(shù)據(jù)倉庫或數(shù)據(jù)集市（一）數(shù)據(jù)倉庫（DataWarehouse）被定義為面向主題的、集成的、歷史的、穩(wěn)定的、支持管理決策過程的數(shù)據(jù)集合。特點：1、主題與面向主題操作型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織面向事務處理任務，而數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)是按照一定的主題域進行組織。主題是指用戶使用數(shù)據(jù)倉庫進行決策時所關心的重點方面，一個主題通常與多個操作型信息系統(tǒng)相關。4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術2、集成的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)有來自于分散的操作型數(shù)據(jù)，將所需數(shù)據(jù)從原來的數(shù)據(jù)中抽取出來，進行加工與集成，統(tǒng)一與綜合之后才能進入數(shù)據(jù)倉庫3、數(shù)據(jù)時持久的數(shù)據(jù)倉庫主要是為決策分析提供數(shù)據(jù)，所涉及的操作主要是數(shù)據(jù)的查詢4、數(shù)據(jù)時不隨時間變化的傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比較適合處理格式化的數(shù)據(jù)，能夠較好的滿足商業(yè)商務處理的需求。穩(wěn)定的數(shù)據(jù)以只讀格式保存，且不隨時間改變4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術（二）元數(shù)據(jù)（三）數(shù)據(jù)字典是對整個空間數(shù)據(jù)庫的總結和詳細的小結，可以把它視為LST數(shù)據(jù)庫的藍圖，可以幫助用戶理解整個數(shù)據(jù)庫組織和內容，以便更好的使用數(shù)據(jù)庫1、數(shù)據(jù)字典的內容數(shù)據(jù)庫的總體結構組織；數(shù)據(jù)庫的總體設計框架；各數(shù)據(jù)庫的詳細內容定義及結構；數(shù)據(jù)命名的定義；元數(shù)據(jù)內容4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術2、數(shù)據(jù)文件的命名方法一個數(shù)據(jù)不外乎有內容、所接受的操作、被使用的同一類型操作的次序先后等，這些信息有時候可以在命名中反映出來。3、數(shù)據(jù)字典中的元數(shù)據(jù)內容元數(shù)據(jù)是對一個數(shù)據(jù)集內容、質量條件及操作過程等的描述。目前在美國，元數(shù)據(jù)已經被聯(lián)邦政府的地理數(shù)據(jù)委員會將其規(guī)范化，并要求所有政府部門實施這個標準4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術三、分布式數(shù)據(jù)庫（一）概念和特點是一組數(shù)據(jù)的集合，這些數(shù)據(jù)在物理上分布于計算機網絡的不同結點上，二邏輯上是屬于同一個系統(tǒng)。這里強調兩點：分布性，即數(shù)據(jù)是存在網絡的各個結點上邏輯上互相關聯(lián)，即分布存放的數(shù)據(jù)被制約聯(lián)在一起，構成一個有機整體4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術特點：地方自治性相互協(xié)作性位置透明性副本的透明性全局優(yōu)化效率和靈活性4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術（二）體系結構包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、全局數(shù)據(jù)字典和分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術分布式數(shù)據(jù)庫參考結構4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術（三）分布式數(shù)據(jù)庫設計1、設計目標適應部門分布的組織結構，降低費用可靠性和可用性均勻工作負荷，充分利用網上資源，調節(jié)網上各結點工作的不均狀態(tài)，提高并行度。4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術2設計步驟設計全局數(shù)據(jù)模式設計片段設計分配設計局部的物理數(shù)據(jù)庫4.5多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集合技術（四