第4章地理信息系统空间数据库

第4章地理信息系统空间数据库

第1节传统的数据库模型及其局限性

数据库：就是为一定目的服务，以特定的数据存储的相关联的数据集合，它是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。

数据库领域采用的数据模型有：

层次模型

网状模型

关系模型

其中应用最广泛的是关系模型。

1、层次模型与树结构

层次模型是数据处理中发展较早、技术上也比较成熟的一种数据模型。

其特点是：

将数据组织成有向有序的树结构

结构中结点代表数据记录

连线描述位于不同结点数据间的从属关系

层次模型反映了现实世界中实体间的层次关系，层次结构是众多空间对象的自然表达形式，并在一定程度上支持数据的重构。

存在问题是：

●由于层次结构的严格限制，对任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得低层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询。数据的更新涉及许多指针，插入和删除操作也比较复杂。母结点的删除意味着其下属所有子结点均被删除，必须慎用删除操作。

●层次命令具有过程式性质，它要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出存取途径。

●模拟多对多联系时导致物理存贮上的冗余。

●数据独立性较差。

●基本不具备演绎功能。

●基本不具备操作代数基础。

网状模型与图结构

网状模型的基本特征是：

结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系。

网状模型将数据组织成有向图结构。结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。

有向图(Digraph)的形式化定义为：

Digraph=(Vertex，{Relation})

其中Vertex为图中数据元素(顶点)的集合；Relation是两个顶点(Vertex)之间的关系的集合。

有向图结构比树结构具有更大的灵活性和更强的数据建模能力。网状模型可以表示多对多的关系，其数据存贮效率高于层次模型，但其结构的复杂性限制了它在空间数据库中的应用。

网状模型反映了现实世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构，具有一定的数据独立性和共享特性，并且运行效率较高。

存在问题：

●网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。它要求用户熟悉数据的逻辑结构，

知道自身所处的位置。

●网状数据操作命令具有过程式性质。

●不直接支持对于层次结构的表达。

●基本不具备演绎功能。

●基本不具备操作代数基础。

关系模型与二维表结构

关系的具体实现是一个二维表结构，表结构中的行对应于元组，列对应于域，列的名字称为属性。n元关系必有n个属性。满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。

ν关系模型可以简单、灵活地表示各种实体及其关系，数据操作是通过关系代数实现的，

具有严格的数学基础。

ν关系模型能够支持数据的重构，其数据描述具有较强的一致性和独立性。

ν关系操作和关系演算具有非过程式特点，关系模型具有严密的数学基础和操作代数基础，并且与一阶逻辑理论密切相关，具有一定的演绎功能。

ν目前，绝大多数数据库系统采用关系模型。

存在问题：

●实现效率不够高。

由于概念模式和存贮模式的相互独立性，按照给定的关系模式重新构造数据的操作相当费时。另外，实现关系之间的联系需要执行联接操作，系统开销较大。

●描述对象语义的能力较弱。

现实世界中包含的数据种类和数量繁多，许多对象本身具有复杂的结构和涵义，为了用规范化的关系描述这些对象，则需对对象进行不自然的分解，从而在存贮模式、查询途径及其操作等方面均显得语义不甚合理。

●不直接支持层次结构，因此不直接支持对于概括、分类和聚合的模拟，即不适合于管理复杂对象的要求。

●模型的可扩充性较差

新关系模式的定义与原有的关系模式相互独立，并未借助已有的模式支持系统的扩充。关系模型只支持元组的集合这一种数据结构，并要求元组的属性值为不可再分的简单数据(如整数、实数和字符串等)，它不支持抽象数据类型，因而不具备管理多种类型数据对象的能力。

●模拟和操纵复杂对象的能力较弱

关系模型表示复杂关系时比其它数据模型困难，因为它无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，只能借助于关系的规范化分解来实现。过多的不自然分解必然导致模拟和操纵的困难和复杂化。

第2节面向对象的数据库系统

面向对象数据模型是以面向对象概念和面向对象程序设计为基础的

面向对象数据模型是高层次数据模型的最重要发展，它包含了其它模型在数据模拟方面的很多概念，并能很好地模拟和操纵复杂对象。

1、面向对象方法的基本思想是：

对问题领域进行自然的分割，更接近人类通常思维的方式，以便对客观的信息实体进行结构模拟和行为模拟，使设计出的系统尽可能直接地表现问题求解的过程。

面向对象=对象+类+继承+通信

把具有相同属性和操作的对象归并成一类，把一类中的一个对象称为一个实例。例如在计算机屏幕上有大大小小若干个矩形，分别表示各种按钮和窗口，他们都是矩形的实例，这些实例共享该类的所有操作，只是他们的大小、位置、颜色等的不同，他们的属性值不一。

继承是面向对象方法的特色。

例如，对几何图形可以分为点、线、多边形等，他们可以各自建立相应的类，确定必需的的属性和操作。而多边形又可分为三角形、四边形等。因此，可以以多边形为基类或夫类，三角形、四边形等为派生类或子类。这样可以将派生类中相同的部分（属性和操作）集中在基类中，派生类中只保留自己有特色的属性和操作。

派生类中的对象除了能够独享派生类的属性和操作外，还可以共享基类中属性和操作。这样可以减少数据的存储和代码的重复。

通信是指对象之间消息的传递。即是一个类的对象要求另一个类的对象执行某种操作，指出哪个对象执行此操作，有时还要调用参数，这些请求就是消息的传递。

面向对象数据库系统的特性

面向对象数据库系统就是采用面向对象方法建立的数据库系统。

(1) 数据模型。它提供一组模拟信息实体的数据结构，一组操纵信息实体的方法和一组定义数据一致性状态的约束条件。

(2) 永久性。数据应长久存贮，并能为应用程序交叉使用。

(3) 并发性。多个用户可同时访问和使用同一个数据库，并能相互进行交互。

(4) 事务管理。它应能监视数据库的交互过程，确保数据的一致性(正确性)和稳定性。

(5) 恢复功能。当系统突遇事故而发生故障甚至毁坏时，它应将系统恢复到以前的某种特定状态。

(6) 查询语言。它应使用一种易用的高级语言访问和查询实体信息。

(7) 辅存管理。它应提供一组用于改善访问性能的高效结构和算法，包括索引管理、数据聚集、数据缓冲区、查询路径选择及查询优化等。

（8）安全性。它应具有保护信息的措施，并提供权限检查的功能。

（9）数据抽象。它应能开发和使用灵活的、逻辑上复杂的抽象数据类型。

(10) 较强的信息模拟能力。现实世界中实体的结构和行为在计算机环境中被描述为类

和对象，这种形式特别适合于模拟和用途。

(11) 对象标识。系统为对象定义并维护唯一的标识符，这一标识符独立于对象本身的内容和地址，并支持对象的共享。

(12) 封装性与数据隐藏。对象由其类型定义的方法操纵，其内部结构对于外部访问来说是隐藏的。

(13) 主动(智能)数据。过程与数据的封装使系统具有推理能力,并具有一致性和有效性，这也就增强了数据库定义智能操作触发器的能力。

(14) 继承性。由类的抽象可构成类层次，类层次中子类可继承其超类的数据与行为。超类的特殊化为子类，子类的概括化形成超类。继承性自动维护类层次中的关系。

(15) 多态性。数据和成员函数都可以在运行时刻动态地解释为不同的含意，这是用重载和动态联编实现的。

(16) 复合性。一组对象可以是另一个对象的一部分。

(17) 消息传递。对象之间的交互是通过消息激活对象中的方法来体现的。这个特性增强了系统的模拟能力。

(18) 计算完整性。系统在计算上应该是完整的。

(19) 可扩充性。系统提供的操作、结构和约束不是固定的，用户可以在应用中增加定义新的操作和类型。

面向对象数据库系统采用面向对象数据模型，其实现方式主要有以下三种：

(1) 扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL(object oriented program language)中增加DBMS(data base management system)的特性。

面向对象数据库系统的一种开发途径便是扩充OOPL，使其处理永久性数据。

这种实现途径的优点是：

①能充分利用OOPL强大的功能，相对地减少开发工作量；

②容易结合现有的C++(或C)语言应用软件，使系统的应用范围更广。

这种途径的缺点是：

没有充分利用现有的DBMS所具有的功能。

（2）扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性

RDBMS(related data base management system)是目前应用最广泛的数据库管理系统。既可用常规程序设计语言(如C、FORTRAN等)扩充RDBMS，也可用OOPL(如C++)扩充RDBMS。

这种实现途径的优点是：

①能充分利用RDBMS的功能，可使用或扩展SQL查询语言；

②采用OOPL扩展RDBMS时，能结合二者的特性，大大减少开发的工作量。

这种途径的缺点是：

数据库I/O(input/output)检查比较费时，需要完成一些附加操作，所以查询效率比纯OODBMS低。

(3) 建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS

这种实现途径从重视计算完整性的立场出发，以记述消息的语言作为基础，备有全新的数据库程序设计语言(DBPL)或永久性程序设计语言(PPL:permanent program language)。此外，它还提供非过程型的查询语言。它并不以OOPL作为基础，而是创建独自的面向对象DBPL。

这种实现途径的优点是：

①用常规语言开发的纯OODBMS全面支持面向对象数据模型，可扩充性较强，操作效率较高；

②重视计算完整性和非过程查询。

这种途径的缺点是：

数据库结构复杂，并且开发工作量很大。

第3节地理空间数据库系统

1、与一般数据库相比，具有以下特点：

1）数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往很大。

2）不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。

3）数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。

2、数据库管理系统（DBMS，database management system)

在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用，DBMS的最大优点是提供了两者之间的数据独立性，即应用程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存储结构。当数据文件的存储结构改变时，不必改变应用程序。

1）采用标准DBMS存储空间数据的主要问题：

※在GIS中，空间数据记录时变长的，因为需要存储的坐标点的数目是变化的，而一般数据库都只允许把记录的长度设定为固定长度。不仅如此，在存储和维护空间数据拓扑关系方面，DBMS也存在着严重的缺陷。因而，一般对标准的DBMS增加附加的软件功能。

※DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。

※GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支持。

※地理信息是复杂的，单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性数据的关键字，以及非空间专题属性等，一般的DBMS也难以支持。

※具有高度内部联系的GIS数据记录需要更复杂的安全性维护系统，为了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据文件产生错误。一般的DBMS都难以保证这些。

2）GIS数据管理方法主要4种类型：

※对不同的应用模型开发独立的数据管理服务，这是一种基于文件管理的处理方法。

※在商业化的DBMS基础上开发附加系统。开发一个附加软件用于存储和管理空间数据和空间分析，使用DBMS管理属性数据。

※使用现有的DBMS，通常是以DBMS为核心，对系统的功能进行必要扩充，空间数据和属性数据在同一个DBMS管理之下。需要增加足够数量地软件和功能来提供空间功能和图形显示功能。

重新设计一个具有空间数据和属性数据管理和分析功能的数据库系统。