地理信息系统第九讲：空间数据库技术(上)
地理信息系统与空间数据库研究
地理信息系统与空间数据库研究摘要:本文分析了地理信息系统的基本发展情况,对空间数据库的特点、分类详细的进行了描述。
以某土地资源空间数据库的建立为例,展示了空间数据库的应用情况。
关键词:地理信息系统;GIS;空间数据库;计算机应用;地理在地学领域一般认为,GIS的核心是计算机科学,基本技术是数据库地图的可视化及空间的分析。
可以这样定义:它是在计算机软、硬件支持下,以一定的格式采集、存储、管理、分析、模拟、显示和应用部分地球表面与空间和地理分布有关数据的计算机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术。
从外部来看表现为计算机软、硬件系统,其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型,是一个逻辑缩小的高度信息化的地理系统。
GIS作为一种专门用于管理地理分布数据的计算机系统,具有强大的模拟现实功能。
强大之处在于将空间信息的处理与属性信息完美结合起来,可以快速地获取所需要的信息,能以图形或文字报告等形式表示处理的结果。
地理空间数据是地理信息系统的血液。
整个GIS 都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的。
从目前来说,数据采集特别是空间数据的采集是建立GIS的主要瓶颈。
经验表明,数据库的建库费用,在系统总投资中占较大的比重,通常是GIS硬件的5倍至10倍。
可见空间数据在地理信息系统中的地位。
一、空间数据库的特点:GIS空间数据库与普通的数据库在模型及功能上有很大的差别,总的来说,空间数据有以下特征。
空间特征:每一个空间对象具有空间坐标。
除了通用数据库管理系统或文件系统关键字索引和辅关键字索引以外,一般都需要建立空间索引。
非结构化特征:空间数据不满足结构化的要求。
将一条记录表达一个空间对象时,它的数据项有可能是变长的。
例如,一条弧段的坐标,其长度将是不可预料的;此外,一个对象也可能包含另外的一个或多个对象。
空间关系的特征:空间数据中记录的拓扑信息表达了多种的空间关系。
该种拓扑数据结构一方面既方便了空间数据的查询和空间分析,另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。
地理空间数据库原理课件要点.docx
数据库：就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据集合。
空间数据库是存取、管理空间信息的数据库地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。
空间数据库的内容:矢量地形要素数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库、数字栅格地图数据库、元数据库、专题数据库空间数据管理演变过程：人工管理阶段（50年代中期以前）、文件系统阶段（50年代后期一60 年代中期）、文件与数据库管理阶段（20世纪70年代初）、全关系型空间数据库管理系统（20 世纪70年代后期）、对象关系数据库管理系统、面向对象的数据库管理系统地理空间数据库主要研究内容：空间数据模型、地理空间数据的获取与处理、地理空间数据组织、空间数据库管理系统、地理空间数据共享研究空间实体一一指具有确定的位置和形态特征并具有地理意义的地理空间物体。
（河流、道路、城市、航线等）空间实体：地理信息系统中不可再分的最小单元现象称为空间实体•属性是空间实体已定义的特征（如人口数量、林地上林木名称等）空间实体：是指现实世界中地理实体的最小抽象单位，主要包括点、线和面三种类型•空间检索的目的是对给定的空间坐标,能够以尽快的速度搜索到坐标范围内的空间对象，进而对空间对象进行拓扑关系的分析处理空间对象模型特征：1 •图斑模型将一个地理空间划分成一些简单的连通域，每个区域用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。
根据表示地理现象的不同，可以对应不同类型的属性函数。
2、等值线模型等值线的特点：（1）用一组等值线将地理空间划分成一些区域，每个区域中的属性值的变化是相邻的两条等值线的连续插值；（2）每条线唯一值；（3）两条等值线不相交；3、选样模型地理空间上的属性值是通过釆集有限个点的属性值来确定的。
场的特征⑴空间结构特征和属性域2）连续的、可微的、离散的3）与方向无关的和与方向有关的（各向同性和各向异性）4）空间自相关矢量数据结构的几何数据表达优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。
空间数据库
第一章GIS概述地理信息系统的基本概念：信息、数据、地理数据与地理信息地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。
地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。
地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。
地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性：1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识；2）多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构；3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。
地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。
地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。
地理信息系统的定义是由两个部分组成的。
一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
地理信息系统是一个基于计算机软件、硬件和数据的集成系统，该系统主要通过空间及非空间数据的操作，实现空间检索、编辑及分析功能。
地理信息系统具有以下三个方面的特征：第一、具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；第二、由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；第三、计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
地理信息系统中的空间数据管理与分析方法
地理信息系统中的空间数据管理与分析方法地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种以地理信息为基础，具有数据抽象、空间数据管理、空间分析和空间可视化等功能的计算机辅助系统。
在现代社会中，GIS已经广泛应用于地理领域的研究和应用中，为地理信息的管理和分析提供了强大的工具和技术支持。
而在GIS中，空间数据的管理和分析方法是关键的环节，本文将对地理信息系统中的空间数据管理和分析方法进行探讨。
一、空间数据管理空间数据管理是地理信息系统中的核心要素，它涉及到如何有效地对地理信息进行保存、组织和维护的方法与技术。
常见的空间数据管理方法主要包括数据模型、数据结构和数据存储。
1. 数据模型数据模型是空间数据管理的基础，它定义了描述地理现象和地理实体的方式和规则。
常见的数据模型包括层次模型、关系模型和对象模型。
其中，层次模型以树状结构表示空间对象之间的关系；关系模型以表格形式表示空间对象之间的关系；对象模型以对象的属性和几何信息描述空间对象。
2. 数据结构数据结构是指在空间数据管理中，将地理实体和属性存储在计算机中的组织方式。
常见的数据结构包括邻接列表、拓扑关系和网格结构等。
其中，邻接列表通过记录对象的相邻关系描述空间图形的连接关系；拓扑关系通过表示图形元素的接触或覆盖关系描述地理实体的关系；网格结构是将地理区域划分成规则网格，每个网格单元存储与之相关的空间数据。
3. 数据存储数据存储是指将地理信息以适当的方式存储在计算机系统中。
常用的数据存储方式有矢量数据存储和栅格数据存储。
矢量数据存储以点、线、面等几何图元和属性表的方式存储地理信息；而栅格数据存储则以像元矩阵的方式存储地理信息。
二、空间数据分析空间数据分析是GIS的重要应用之一，它通过对地理信息的处理和加工，提取出地理信息的有用特征和关系，为决策制定和问题解决提供科学依据。
常见的空间数据分析方法主要包括空间查询、空间统计和空间建模等。
空间数据库
全 关 系 式 数 据 库 管 理 方 案
属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快 属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象 嵌套等复杂的空间操作 GIS软件：System9，Small World、Geovision等
)
空间数据库的优势
统一的数据格式标准 查询功能和效率强大 海量空间数据存储 并发控制机制 安全机制 空间操作
空间数据管理是以给定的内部数据结构或空间图形实 体的数据结构为基础，通过合理的组织管理，力求有 效地实现系统的应用需求。假如说内部数据结构是寻 求一种 描述地理实体的有效的数据表示方法，那么空 间数据管理就是根据应用要求建立实体的数据结构和 实体之间的关系，并把它们合理的组织起来，以便于 应用。显然， 数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）应该是解决这 一问题的主要途径。但是，由于地理信息系统具有空 间信息的特性，而目前通用的DBMS系统（如 FoxPro,MS SQL Server,ORACLE等）并不支持空间 信息的管理，所以，DBMS系统在GIS中并未得到全 面的采用。
空间数据库：
地理信息系统与空间数据分析
地理信息系统与空间数据分析地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种将地理空间数据进行捕捉、存储、查询、分析和显示的技术系统。
地理信息系统与空间数据分析的结合，不仅可以帮助我们深入了解地球的地理特征和空间关系，还能为环境保护、城市规划、资源管理、灾害预防等领域提供有力的决策支持。
一、地理信息系统的定义和基本概念地理信息系统是一种用来管理和分析与地理位置相关的信息的技术系统。
它包括地理数据捕捉（数据采集和输入）、地理数据存储（数据管理和组织）、地理数据查询（数据检索和查询）、地理数据分析（空间分析和属性分析）和地理数据显示（地图输出和可视化）等五个主要组成部分。
通过这些功能的结合，地理信息系统能够整合不同来源的地理数据，帮助用户从地理空间的角度理解和解决复杂问题。
二、地理信息系统的应用领域1. 环境保护和资源管理：地理信息系统可以帮助管理者监测和评估环境变化，如森林砍伐、湖泊水质改变等，从而制定出更有效的环境保护政策和资源管理方案。
2. 城市规划和土地管理：地理信息系统可以提供城市土地利用和规划的决策支持，帮助规划师分析城市的道路网络、建筑分布、人口密度等，为城市的可持续发展提供参考。
3. 交通运输和物流管理：地理信息系统可以优化交通路线和运输网络，降低运输成本，提高物流效率。
通过分析交通流量、道路拥堵等数据，还可以帮助规划交通政策和改善交通系统。
4. 灾害风险评估和应急响应：地理信息系统可以对地震、洪水、火灾等自然灾害进行风险评估，预测潜在灾害风险。
同时，还可以支持应急响应，快速定位救援资源和受灾区域。
5. 农业和自然资源管理：地理信息系统可以帮助农民进行土地评估、农作物监测、灌溉规划等，提高农业生产的效率和质量。
在自然资源管理方面，地理信息系统可以协助管理森林、水源、矿产等资源，确保其合理利用和可持续发展。
三、空间数据分析在地理信息系统中的作用空间数据分析是地理信息系统的核心功能之一，它基于地理空间关系，通过对地理数据的处理和分析，揭示地理现象背后的模式、趋势和关联。
地理信息系统空间数据组织与管理课件
THANKS
空间数据特点
具有空间定位性、属性特征性、 空间关系性等特点。
空间数据类型
1 2
3
矢量数据
包括点、线、面等几何要素，具有方向和长度/面积等属性 。
栅格数据
以网格情势表示地理信息，每个网格具有相应的属性值。
数字高程模型
表示地形高程的离散数据，常用于地形分析和可视化。
空间数据组织方式
空间数据库
将空间数据存储在关系型数据库中，通过数据库管理系统进行管理。
文件存储
将空间数据存储在文件中，如Shapefile、GeoTIFF等格式。
散布式存储
将空间数据分散存储在多个节点上，实现数据的散布式管理和访问。
空间索引技术
R树索引
一种用于空间数据索引的树形结构， 能够高效地查询和检索空间数据。
Quadtree索引
Geohash索引
一种基于哈希编码的空间索引方法， 能够实现高效的空间范围查询和检索 。
数据安全
03
SDBMS提供了数据加密、访问控制等安全机制，确保空间数据
的安全性和保密性。
空间数据存储方式
散布式存储
将空间数据分散存储在多 个节点上，以提高数据存 储的可靠性和可扩大性。
矢量数据存储
将矢量数据按照几何特征 进行存储，如点、线、面 等，以实现高效的空间查 询和分析。
栅格数据存储
将栅格数据按照像素或网 格进行存储，适用于图像 、卫星遥感等数据的存储 和管理。
02
它能够处理空间数据，提供地理 信息的可视化表示，并支持空间 决策和计划。
地理信息系统发展历程
01
1960年代
GIS概念的形成和
实验阶段。
02
空间数据库习题答案
空间数据库习题答案空间数据库习题答案随着科技的不断发展，空间数据库在地理信息系统（GIS）领域中起着至关重要的作用。
它可以存储和管理各种地理数据，包括地图、卫星图像、地理坐标等。
而在学习空间数据库的过程中，习题是提高理论与实践能力的重要途径。
下面将为大家提供一些空间数据库习题的答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 什么是空间数据库？空间数据库是一种用于存储和管理地理信息数据的数据库系统。
它可以存储各种地理要素的空间位置和属性信息，并提供强大的查询和分析功能。
空间数据库的设计和实现需要考虑空间索引、空间查询、空间分析等方面的问题。
2. 空间数据库有哪些常见的数据模型？常见的空间数据库数据模型包括层次模型、关系模型和对象模型。
层次模型将地理要素组织成层次结构，通过节点和边的关系来表示空间关系。
关系模型使用表格来存储地理要素的属性和空间关系，通过关系代数和SQL语句来查询和分析地理数据。
对象模型将地理要素作为对象来表示，通过面向对象的方法来操作地理数据。
3. 什么是空间索引？空间索引是一种用于提高空间查询效率的数据结构。
它可以将地理要素的空间位置信息进行组织和存储，以便快速地检索满足特定空间条件的地理要素。
常见的空间索引包括R树、四叉树、网格索引等。
4. 如何进行空间查询？空间查询是指根据特定的空间条件来检索满足条件的地理要素。
常见的空间查询包括范围查询、邻近查询、交叉查询等。
在进行空间查询时，可以利用空间索引来提高查询效率。
例如，对于范围查询，可以使用R树索引来快速找到满足范围条件的地理要素。
5. 空间数据库中的空间分析有哪些应用？空间分析是指对地理要素进行空间关系分析、空间统计分析等操作。
在空间数据库中，可以进行缓冲区分析、叠加分析、网络分析等。
例如，缓冲区分析可以根据给定的距离，在地图上绘制出一定范围内的缓冲区，以便分析和规划。
6. 空间数据库的应用领域有哪些？空间数据库广泛应用于地理信息系统、城市规划、环境保护、交通运输等领域。
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（土壤 ID码）
（坡度 ）
（土壤 类型）
酸度
排水性 别
等级
关系数据库的连接和查询
ARC/INFO中使用的表格间对应关系
2）Arc/Info联结－RELATE命令 RELATE 命 令 用 来 建 立 和 管 理 表 格 间 对 应 关 系 。 RELATE命令在两个ARC/INFO表格间创建暂时的联结。 （1）RELATE ADD命令用来定义一种对应关系。 Arc: RELATE ADD Relation name: 对应关系的名称 Table identifier: 连接至的表格 Database name: 数据库的名称 Relate column: 联结自的字段 Relate Type： 联结至的字段 Relate Access: 进入权限
350
399 399 280 141
S.Engel
G.Leed s S.Engel J.Maus H.Stein
J.Maus
H.Stein
4774768
6754491
关系数据库的连接和查询
（3）非关键字段与非关键字段的联结
土地代 码 面积 所有者 是否 登记 交换 代码 14231 14235 14236 14260 14266 14268 姓名 S.Engel G.Leed s S.Engel J.Maus H.Stein H.Stein 时间 14.50 14.50 15.23 15.40 15.41 16.22
关系数据库的连接和查询
（1）关键字段与关键字段的联结（土地代码）
土地 代码 14536 14661 14663 面积 所有 者 S.Enge l G.Leed s S.Enge l J.Maus H.Stei n 是否 登记 是 否 是
土地代 码 14536 14661 14663 14665 14667 登记日 期 85年7 月 90年8 月 90年8 月 82年6 月 70年5 月 土地利 用类型 居住 居住 工业 农业 农业
数据库的查询和分类
一旦数据通过分类建立起其结构，二分法 查找程序给出了计算机怎样快速查找数据 的典型例子。这个程序概括为下列算法： （1）把资料组分为两部分；
（2）记录在前半部分还是在后半部分？
（3）放弃不需要的一半；
（4）重复上面的操作。
关系数据库的连接和查询
1．关系数据结构中表格的联结(p195) 通过将表格中的内容减至最少，可以节 省储存空间、避免错误。表格的联结则 允许通过为信息管理建立一个灵活有效 的结构，以使数据结构达到最大效率。 为有效地实现这一点，需要建立和安排 表格间的对应关系；维持表格间的对应 关系和用对应的观点来研究联结 (1:1,N:M,N:1)(p205)。
数据模型
目前关系模型应用最多。面向目标 模型正在迅速发展之中(在下一节讲)。
关系模型
关系和域概念
关系 : 一个关系可看作一个表格。
域 : 一个值系列（如某一产业）。 记录 : 数据库表中的一行或多行（如 产业构成）。
关系模型
关键字段
关键字段是用来访问表中记录的 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）。
关系数据库的连接和查询
2 ）关系数据库和SQL进行数据库查询的一个例子 表2-Site Information Parcel_No 34651 34652 34653 34654 34655 ……. Address George St. Adam St. Henry St. Park Ave. Station Rd. …………. SITE.DAT Area 1540 2200 9500 0950 1450 …… No_of Properties 12 03 01 03 10 …
关系数据库的连接和查询
2 ）关系数据库和SQL进行数据库查询的一个例子
查询的结果将会以一个新的表格的形式显示出来。
Parcel_No 34675 34653 34655 ……. VALUE 25000 32600 88500 …….. NO_OF_PROPERTIES 20 01 10 …
关系数据库的连接和查询
第九讲：空间数据库技术(上)
数据模型
数据模型 主要是指用来管理和存 贮空间数据的数据库模型。常用的数 据模型有：层次模型、网络模型、关 系模型、面向目标模型。
层次模型
学校 系
学生
老师
课程
层次模型
2 a 1
Ⅰ
b c 4
3
e
Ⅱ
5 f 6
Ⅰ
M
d
g
Ⅱ
地图M
a
b
c d c e
f g
1 2 2 3 3 4 4 1 3 43 5 5 6 6 4
关系模型
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。
数据库的查询和分类
1）数据库查找程序 通常，查找一个数据库文件是一个连续的 过程。计算机从文件开始进行查询，直到 找到需要的项目为止。这种方式可行，但 效率相当低。如果文件记录较少，不会出 现太多问题；如果记录较多，需要很长的 时间才能找到信息；如果文件已按一个已 知的顺序分类 ( 排序 ) ，如升序，可以应用 其它速度较快的查找程序。
350
399 399
14665
14667
280
141
否
是
关系数据库的连接和查询
（2）非关键字段与关键字段的联结
土地代 码 14536 14661 14663 14665 14667 面积 所有者 是否登 记 是 否 是 否 是 姓名 S.Engel G.Leeds 地址 15 Ley Street 22 Sunrise Ave 49 Poplar Road 83 Holbroo k Rd 电话 5673821 4453421
14536
14661 14663 14665 14667
350
399 399 280 141
S.Engel
G.Leed s S.Engel J.Maus H.Stein
是
否 是 否 是
关系数据库的连接和查询
2、空间信息系统数据库查询 运算符号
可以应用一系列不同的算符来构建数据库查询 。 +、-、*、/ 标准逻辑算符为： = 、 <> 、 >= 、 <= 、 > 、 < CN 包含 NC 不包含 LK 相似 IN 数字字段包含
层次模型
优点：存取方便、容易理解等。
缺点：结构呆板、要保留大量的索引 文件、数据冗余。
网络模型
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，且具有多 对多类型的数据组织方法。
网络模型
2 a 1
Ⅰ
b c 4
3
e
Ⅱ
5 f 6
Ⅰ
M
d
g
Ⅱ
地图M
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a
1 2
b 3
c d 4
e 5
f 6
g
网络模型
Ⅰ a Ⅱ c
x1 x2
b e
y1 y2
c f
d g
线
Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ
点
2
3
4 5
x3
x4 x5
y3
y4 y5
6
x6
y6
关系模型
优点：结构特别灵活，可以满足所有 用布尔运算和数学运算规则形成的询 问要求；能搜索、组合、比较不同类 型的数据。 缺点：许多操作都要求在文件中顺序 查找满足特定关系的数据，可能花费 很多时间。
关系数据库的连接和查询
2 ）关系数据库和SQL进行数据库查询的一个例子
如果我们现在想选择所有满足下列要求的土地： 价值大于25000，其上有5个或多于5个房产，查询 过程如下： SELECT VALUE, NO_OF_PROPERTIES FROM PARCEL.DAT, SITE.DAT WHERE VALUE gt 25000 OR NO_OF_PROPERTIES>=5
优点：明确而方便的表示数据间的复 杂关系，数据冗余小。 缺点：指针数据增加数据量，指针的 建立和维护是非常大的任务。
关系模型
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。
2 a 1
Ⅰ
b
3
e
Ⅱ
5
关系模型
地图M
c
4 g
f
6
d
地图M
Ⅰ
Ⅱ
多边形
Ⅰ a b c d e f c g 1 2 3 4 3 5 3 6 2 3 4 1 5 6 4 4 1
关系数据库的连接和查询
1 ）关系数据库和SQL进行数据库查询的一个例子 表1-Land Parcel Records Parcel_No Owner 34651 D. Smith 34652 C. Lawrence 34653 D. Lewsley 34654 S. Bishop 34655 C. Lawrence PARCEL.DAT Value Use 15000 Residential 22500 Industrial 32600 Agricultural 24300 Residential 88500 Commercial
关系数据库的连接和查询
1 ）关系数据库和SQL进行数据库查询的一个例子
如果现在想选择所有满足下列要求的土地：属于 C. Lawrence，价值大于30000，土地利用类型为非居住 用地，查询过程如下： SELECT OWNER， VALUE，USE FROM PARCEL．DAT WHERE OWNER eq C. Lawrence AND VALUE gt 30000 AND NOT LAND USE =RESIDENTIAL 或者 WHERE OWNER = C. Lawrence AND VALUE >30000 AND NOT LAND USE NE RESIDENTIAL