第7讲 GIS空间数据库
GIS应用开发课件7
CAD Workspace：包含CAD数据的工作空间；
VPF Workspace：包含VPF数据的工作空间。
江西理工大学 – Developing GIS Applications with ArcObjects using C#.NET
7.2.1 工作空间工厂(WorkspaceFactory)
江西理工大学 – Developing GIS Applications IWorkspaceFactory with ArcObjects using C#.NET
IWorkspaceFactory接口 定义了所有工作空间工
厂对象的一般属性和方
法，用户可以通过它管
理不同类型的工作空间，
所有的工作空间对象都 可以通过这个接口产生。
江西理工大学 – Developing GIS Applications with ArcObjects using C#.NET
使用 IWorkspaceFactory.Create方法可以用于新建一个工作空 间名称对象。
public IWorkspaceName Create ( string parentDirectory, string
科研项目
国家自然科学基金项目--面向GML的时空兲联规则及序列模式挖 掘研究(编号：40971234) ，35万元，主持 国家自然科学基金项目--本原GML空间数据库理论及GMLGIS与传 统GIS集成研究（编号：40761017） ，16万元，主持 国家自然科学基金项目 -- GML空间数据存储索引机制研究（编号： 40401045） ，26万元，排名第二 地理信息科学江苏省重点实验室开发基金项目 --面向对象的GML 空间数据库及其应用研究（编号：JK20050302） ，5万元主持
空间数据仓库
空间数据仓库技术数据仓库是20世纪90年代初提出的概念，到20世纪90年代中期己经形成潮流。
在美国，数据仓库己成为紧次于Internet之后的又一技术热点，它的目标是达到有效的决策支持。
空间数据仓库(Spatial Data Warehouse)是GIS技术和数据仓库技术相结合的产物，由于空间关系、空间计算和空间分析的复杂性，空间数据仓库比数据仓库复杂得多。
因此，空间数据仓库是当前GIS界的一个研究热点。
1.空间数据仓库的基础概念1.1 空间数据仓库的定义空间数据仓库就是实现对分散的、各自独立的现有多种地理空间数据库系统进行统一集成和管理，形成用户获取测绘数字产品的统一模式、界面和标准，然后按照相应的主题查询数据仓库得到多种测绘数字产品，再根据用户需求通过各种专业模型关联多种专题信息，从多维角度进行分析，满足用户空间辅助决策分析信息的需求。
1 .2 空间数据仓库的基本特征空间数据仓库来源于数据仓库和数据库技术，但与数据仓库和数据库技术又有本质的不同，它具有以下10个基本特征。
1)空间数据仓库构架于其它数据库之上，空间数据库、专题数据库和其它数据文件中的数据是空间数据仓库重要的数据源。
2)空间数据仓库通过Internet/Intranet，利用JDBC或ODBC技术以及元数据标准，抽取异地、异质、异构的空间数据库、专题数据库和其它数据文件中的数据。
3)空间数据仓库是面向空间的。
空间数据仓库具有空间维和空间度量，能做各种空间数据分析，这是空间数据仓库最基础最本质的东西。
4)空间数据仓库是面向主题的。
主题是个在较高层次将数据归类的标准，每一个主题基本对应一个宏观的分析领域。
5)空间数据仓库是集成的。
空间数据仓库的建设过程中最关键、最复杂的工作就是将分散在众多数据源中的数据，按面向主题的要求集成到空间数据仓库中来。
6)空间数据仓库是综合的。
数据库中积累了大量的细节数据，用户并不对细节数据进行决策分析。
应按面向主题的要求将细节数据进行综合，再进到空间数据仓库中来。
空间数据库
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7
网络数据库模型
网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连 接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 。
学校名称 西北大学
系名 教师数 学生数 研究生
城资系系系名名
教师数 学生数 研究生 52教师数 300学生数 70研究生
地质系 化学系
49
257
71
学号 姓名 年级 籍贯
系名 00231系2 名
基本出发点就是以对象作为最基本的元素，尽可 能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析 和解决问题。
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基本概念
对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对 数据的操作组合而成。
类：是对多个相似对象共同特性的描述。
消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公 有消息和私有消息。
2、记录：由若干相关联的数据项组成。
文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体 值的集合。
4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是 具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有 特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内 部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联 系，不能孤立存在。
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3
数据间的逻辑联系
数据间的逻辑联系主要是 指记录与记录之间的联 系。
1、一对一的联系(1：1)
2、一对多的联系(1：N) 3、多对多的联系(M：N)
A
B
A
B
A
B
A
B
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A
B
A
B
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数据模型
数据模型是数据库系统中关于数据和联 系的逻辑组织的形式表示。
GIS设计与实现大学考试复习资料(老师划重点版)
GIS设计与实现复习资料第一章引论一、什么是GIS（只考填空）1。
GIS研究内容：数据采集、数据存储、数据处理和分析、数据输出2。
GIS软件技术经历的五个阶段：集成式GIS、模块式GIS、核心式GIS、组件式GIS、万维网GIS二、GIS构成:硬件、软件、数据、人员、处理1。
硬件计算机硬件环境包括从GIS数据采集到数据处理乃至数据输出所涉及到的所有硬件设备。
具体分类如下：（1）数据采集、输入设备1）采集设备：测绘仪器、遥感设备2）输入设备：数字化仪、扫描仪、计算机的输入设备（2)数据存储、处理设备1）存储设备:磁盘、磁带机等磁存储介质以及一些光存储介质2）处理设备:计算机、图像处理器、网络设备(3）输出设备1）通常是标准的计算机外围设备：如打印机、绘图仪2）也可以是通过计算机显示器或是外界的高分辨率显示装置（如投影仪等）进行输出。
2。
软件（1）GIS软件的作用提供了一系列功能模块用来存储、分析、和显示空间数据（2)对GIS软件的要求1）提供显示、操作地理数据的常用工具2）提供空间数据库管理系统3）提供图形与属性数据同步查询统计分析功能4）简单易用的图形用户界面（3）GIS软件的分类(大类）：工具型软件、应用型软件3.数据（1)地理数据概念地理数据是以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文景观的数据（2)GIS数据来源普通地图、影像、遥感数据、其他图形软件的结果数据或相关的数据资料(3)GIS数据分类1)空间数据：是表征空间实体位置的数据，一般采用“栅格数据结构”、“矢量数据结构”、“不规则三角网”等数据结构进行管理和存储。
2）属性数据：是表征空间实体属性的数据，一般采用关系型数据库进行管理.4.人员人员在GIS中，作用如下：（1）对GIS软件进行开发、维护和升级（2）对GIS数据进行搜集、入库和管理（3)应用GIS进行生产生活实践，实现GIS的价值第二章GIS设计思想、内容、标准一、GIS设计目标及其特点1.GIS设计目标（考)GIS 设计目标就是通过改进系统的设计方法、严格执行开发的阶段划分、进行各阶段质量把关以及做好项目建设的组织管理工作，从而达到增强系统的实用性、降低系统开发和应用的成本、延长系统生命周期目的。
GIS分析 第7章 三维分析
❖实际应用中一般用来计算土石方量（填、挖方）
DEM的应用:可视化分析—表面面积和体积
洪水淹没分析
❖可交互式改变洪 水的高度
❖水体积计算 ❖淹没表面积计算
DEM的应用:可视化分析—填挖方分析
3.3.3填挖方分析
❖通过分析比较两个表面模型前后的变化， 还可以计算填埋及挖掘土石方量；
Aspect
DEM的应用—坡向提取
7
7
70
52
75
50
75
45
60
6
75
60
6
75
90 100
5
80
80
70
104 70
55 5
65
75 75
490
80
61
4
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94
90
3
57
48
80
3
55
80
12 05
70
53 70
70
2
1
50
66
50
60
1
0
90 0
1
2
3 45 4
655
640 575
8
295
TU
DEM的应用—等值线
DEM的应用—等值线
石河子市DEM及其等值线
1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350
DEM的应用—可视化分析
3.3基于DEM的可视化分析
用地面实测记 录生成DEM
地理空间数据库
地理空间数据库简介摘要：随着地理信息处理、计算机视觉、自动制图、计算机图形学、计算机虚拟现实、计算机辅助设计(CAD)、医学影像、生物分子学、立体建模和机器人等技术的发展，地理空间数据库（Spatial Database）越来越重要，且已不仅仅局限于传统的GIS领域。
近来对于空间数据库的研究已成为热点研究领域，其研究成果应用广泛，相关空间数据产品也在不断推出，而且空间数据库拓展了传统商业数据库的功能，并且将数据库技术很好地引入到了空间信息存储与处理领域，极大地增强了GIS存储、管理、处理和分析空间数据的能力。
本文主要从如下方面介绍地理空间数据库：空间数据库的概念与类型、空间数据索引与访问方法、空间查询及处理，以及空间数据库的设计等。
关键词：空间数据库，发展，基本概念，数据库操作1.空间数据库的概念与类型空间数据库是指具有内部联系的空间数据的集合，可以管理和维护海量数据，并为不同的GIS应用所共享。
其应该满足的要求：(1)空间数据库系统是数据库系统，它具有商业数据库系统的一切功能和特点，必须具有能对空间数据进行处理的能力。
(2)空间数据库系统在数据模型中提供空间数据类型及其空间查询语言。
(3)具备两个核心的特征：持久性与事务。
同时数据库系统是一个复杂的系统。
数据库系统的概念结构由三个层次构成，即物理级、概念级和用户级，分别对应于存储模式、模式、子模式。
对应的三个基本部分则包括：数据库、物理存储介质和数据库软件。
地理空间数据库是某区域关于一定地理要素特征的数据集合。
与一般数据库相比，具有以下特点：数据量特别大、具有地理空间数据和属性数据、数据结构复杂、数据应用面相当广、数据应用层次多等等。
空间数据库具有多种类型，分别适应与不同场合，提供不同的空间数据库操作性能：（1）分布式数据库。
是一组物理上分布的数据集合，每个数据集合有分布其位置上的数据库管理系统管理。
与集中式系统相比，具有更好的数据存储和更新、更有效的数据恢复和更有效的数据输出等优点。
第四章 GIS空间数据库gis
②以实验性数据进行系统测试；
③加载实际数据，实现空间数据库的建立。
2、空间数据库的运行与维护
第二节 空间数据库概念模型设计: 语义模型与对象模型
• 语义数据模型
E-R模型。实体、联系、属性等概念
面向对象的基本概念：
• 面向对象的数据模型
对象、类； 继承； 重载； 概括与聚集。
2) 概 括：
概括是把几个类中某些具有部分 公共特征的属性和操作方法抽象出 来，形成一个更高层次、更具一般 性的超类的过程。 子类和超类用来表示概括的特 征，表明它们之间的关系是“即 是”(is-a)关系，子类是超类的一 个特例。如多边形对象类和弧段对象
类概括形成空间对象类
3） 聚 集：
聚集是将几个不同类的对象组合 成一个更高级的复合对象的过程。 “复合对象”用来描述更高层 次的对象，“部分”或“成分” 是复合对象的组成部分。“成分” 与“复合对象”的关系是“部 分”(parts—of)的关系。如多边
② 设计全局的E-R模型：
③ 全局E-R模型的优化：实体类型尽可能少，所 含属性尽可能少，实体类型之间联系无冗余。 优化的方式： 把有联系的实体类型合并； 冗余属性的消除； 冗余联系的消除。
二、面向对象的数据模型
1、基本思想：我们通过对问题领域进行 自然分割，用更接近人类通常思维的方式建 立问题领域的模型，从而将客观世界的一切 实体模型化为对象。 每一种对象都有各自的内部状态（结构 模拟）和运动规律（行为模拟）；不同对象 之间的相互联系和相互作用就构成了各种不 同的系统，并使系统尽可能地直接表现出问 题的求解过程。
空间数据库的分类：
从应用性质上空间数据库可分为基础 地理空间数据库和专题数据库。
基于GIS的空间数据和空间数据库浅谈_肖寒
江苏地质,29(2),105—107,2005基于GI S 的空间数据和空间数据库浅谈肖 寒1,吴 侃1,孙 君2 (11中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008;21河北沧州市沧县国土资源局,河北沧州061000)摘要:在数字城市、数字省区等数字工程建设和各个部门信息化建设迅速开展的时候,大量甚至海量空间数据的存储和管理成为地理信息系统建设工作者们面临的重要问题,研究空间数据和空间数据库变得非常迫切。
简要介绍了空间数据的概念、特征和空间数据结构模型,并对空间数据库的设计做了简单阐述。
关键词:空间数据;地理信息系统;矢量数据结构;栅格数据结构;空间数据库中图分类号:TP3111131 文献标识码:A 文章编号:1003-6474(2005)02-0105-03收稿日期:2003-12-08;修订日期:2004-01-13;编辑:蒋艳作者简介:肖寒(1978—),男,河北南皮人,中国矿业大学硕士研究生.0 引 言在地理信息系统中,数据主要有两类:一类主要是和空间位置、空间关系有关的数据,称为空间数据;另一类是地理元素中非空间的属性信息,称为属性数据。
笔者认为,在地理信息系统中,所有的属性数据都是依附空间数据的存在而存在的,可以说空间数据是地理信息数据的元数据。
只有研究好了空间数据,对属性数据的研究才有意义。
在当前形势下,数字城市、数字省区等数字工程的建设如火如荼,面对的主要是海量数据的管理和处理,研究空间数据及其空间数据库就变得非常重要和迫切。
本文主要就空间数据的内容和空间数据库的组成及其管理方式进行探讨。
1 空间数据的概念与特征111 什么是空间数据空间数据是描述地理数据中空间特征部分的数据,即描述地理现象或地理实体的空间位置、形状、大小以及他们之间的关系(如拓扑关系等)的数据。
空间数据是一类具有多维特征,即时间维、空间维以及众多的属性维的数据。
其空间维决定了空间数据具有方向、距离、层次和地理位置等空间属性;其属性维则表示空间数据所代表的空间对象的客观存在的性质和属性特征;其时间维则描绘了空间对象随着时间的迁移行为和状态的变化。
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- 为了唯一标识每个记录，就必须有记录标识符，也叫关键字。记录标识 符一般由记录中的第一个数据项担任，唯一标识记录的关键字称主关键 字，其它标识记录的关键字称为辅关键字
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- 文件：文件是一给定类型的记录的全部具体值的集合。
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数据库类型
根据数据库使用的数据模型，可以把数据库分成：
- 层次型数据库
- 网络型数据库 - 关系型数据库
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数据库数据组织方式
数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、 文件和数据库。
- 数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、 字段等。
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如图所示的四个城 市的交通联系，不 仅是双向的而且是 多对多的
北京 西安 广州
实
学生甲 学生乙
上海
例
学生丙 学生丁
如图，学生甲、乙、 丙、丁、选修课程， 其中的联系也属于 网络模型。
课程 1 课程 2 课程 3 课程 4
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2 a
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传统数据库管理数据的局限性
传统数据库系统管理地理空间数据有以下几个方 面的局限性：
- (1)传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和 字符；而地理信息数据是连续的，并且具有很强的空间相关 性。 - (2)传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间 通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类 型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且还能产 生新的关系(如拓扑关系)。
关系数据库表的规则
1、表中的每一个属性必须有一个唯一的名字。
2、行的顺序不是重要的影响因素。
3、任意两个记录(行)不能完全相同。
4、每一个属性应仅包含一个值。
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优点
能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相互间关系 ，使用与维护也很方便 。 具有严密的数学基础和操作代数基础——如关系代数、关系演算等 ，可将关系分开，或将两个关系合并，使数据的操纵具有高度的灵 活性 数据间的关系具有对称性，因此，关系之间的寻找在正反两个方向 上难度程度是一样的，而在其它模型如层次模型中从根结点出发寻 找叶子的过程容易解决，相反的过程则很困难
A
B
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A
B
- 一对多的联系(1：N)
- 这种联系可以表达为：在集合A中存在一个ai,则在集合B中存在一个子 集B′＝(bj1， bj2…bjn)与之联系。通常，B′是B的一个子集。
- 行政区划就具有一对多的联系，一个省对应有多个市，一个市有多个县 ，一个县又有多个乡。
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缺点
实现效率不够高。按照给定的关系模式重新构造数据的操作、关系 之间的联接操作都比较费时。 描述对象语义的能力较弱。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，不允许嵌套元组和嵌套关系存在，因此不直 接支持对于概括、分类和聚合的模拟，不适合管理复杂对象
取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有 的问题。
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返回
数据库的组成 数据集（库）：按一定结构组织起来的相关数 据的集合，既包括数据与数据间的联系。 物理存储介质：计算机的外存与内存储器，外 存存储数据，内存存储操作系统与数据库管理系 统，并有一定数量的缓冲区，用于数据处理。 数据库软件：核心是数据库管理系统（DBMS） ，对数据进行建立、定义、管理与维护，还有数 据库应用系统，通过空间分析模型对数据进行分 析与决策。
- 数据项与现实世界实体的属性相对应。
- 数据项有一定的取值范围，称为域。域以外的任何值对该数据项都是无 意义的。如表示月份的数据项的域是1—12，13就是无意义的值。 - 每个数据项都有一个名称，称为数据项目。
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- 记录：由若干相关联的数据项组成。
- 记录是应用程序输入—输出的逻辑单位。对大多数据库系统，记录是处 理和存储信息的基本单位。
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地图
M
Ⅰ
Ⅱ
2 a 1
Ⅰ
Ⅰ
b c 4
3
e
Ⅱ
5 f 6
多边形 Ⅱ
a c
b e
c f
d g
d
g
Ⅰ 线 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ
a b c d e f g
1 2 3 4 3 5
2 3 4 1 5 6
地图M
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6 4 地理科学与规划学院
关系和域概念
关系 : 一个关系可看作一个表格。
A
B
A
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B
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- 多对多的联系(M：N)
- 即对于集合A中的一个元素ai。在集合B就存在一个子集B′＝(bj1， bj2…bjn)与之相联系。反过来，对于B集合中的一个元素Bj在集合A中就 有一个集合A′＝(ai1,ai2,ai3…ain)与之相联系。 - M：N的联系，在数据库中往往不能直接表示出来，而必须经过某种变 换，使其分解成两个1：N的联系来处理。 - 地理实体中的多对多联系是很多的，例如土壤类型与种植的作物之间有 多对多联系。同一种土壤类型可以种不同的作物，同一种作物又可种植 在不同的土壤类型上。
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层次模型
层次模型是数据处理中发展较早、技木上也比较成熟的一种数据模 型。它的特点是将数据组织成有向有序的树结构。 层次模型由处于不同层次的各个结点组成。除根结点外，其余各结 点有且仅有一个上一层结点作为其“双亲”，而位于其下的较低一 层的若干个结点作为其“子女”。 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(限定为一对多的关系)。
域 : 一个值系列。
记录 : 数据库表中的一行或多行。
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关键字段
关键字段是用来访问表中记录而被特殊定义的字段。它 可由单个属性或一系列属性组成。关键字段是独一无二 的，并且是不能重复使用的（如土地编号和土地代号等 ）。
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2 a 1 d
b Ⅰ c 4
3
e Ⅱ g
5 f
M
6
原始地图M
M
Ⅰ
Ⅱ
a 1
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b 2 2 3 3
c 4 4
d 1 3
c 4 3
e 5 5
f 6 6
g 4
层次数据模型
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层次模型
优点： 存取方便且速度快 结构清晰，容易理解 数据修改和数据库扩展容易实现
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关系模型
以记录组或数据表的形式组织数据，不分层也无指针。
关系模型是根据数学概念建立的，它把数据的逻辑结构归结为满足 一定条件的二维表形式。此处，实体本身的信息以及实体之间的联 系均表现为二维表，这种表就称为关系。
一个实体由若干个关系组成，而关系表的集合就构成为关系模型。 关系模型用关系代数和关系运算来操纵数据 目前关系模型应用最多
检索关键属性十分方便
缺陷： 结构呆板，缺乏灵活性
同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）
不适合于拓扑空间数据的组织
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网络模型
用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，且具有 多对多类型的数据组织方法。 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。
A
B
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A
B
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7.2 传统数据库系统的数据模型
数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形 式表示。 数据模型的主要任务就是研究记录类型之间的联系。 目前，数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型 和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。
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数据间的逻辑联系
数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。
数据之间的逻辑联系主要有三种：
- 一对一的联系（1：1）
- 这是一种比较简单的一种联系方式，是指在集合A中存在一个元素ai，则在集合 B中就有一个且仅有一个bj与之联系。 - 在1：1的联系中，一个集合中的元素可以标识另一个集合中的元素。例如，地 理名称与对应的空间位置之间的关系就是一种一对一的联系.
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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。
一种地物类型对应一个属性数据表文件。 多种地物类型共用一个属性数据表文件。组织