第四章 地理信息系统空间数据库
4地理信息系统空间数据库
4地理信息系统空间数据库地理信息系统（GIS）在当今的社会发展中扮演着至关重要的角色，而空间数据库则是地理信息系统的核心组成部分。
它就像是一个巨大的数字仓库，专门用来存储和管理与地理空间相关的各种数据。
那么，什么是地理信息系统空间数据库呢？简单来说，它是一种用于存储、管理和查询地理空间数据的数据库系统。
这些数据包括但不限于地理位置、地形地貌、土地利用、道路网络、水系分布等等。
与传统的数据库相比，空间数据库具有独特的特点和功能，能够处理和分析空间位置关系，为地理信息系统的应用提供强大的数据支持。
空间数据库中的数据类型多种多样。
有点数据，比如一个城市的坐标点；有线数据，例如一条河流的走向；还有面数据，像是一个湖泊的范围。
此外，还有栅格数据和矢量数据之分。
栅格数据就像是一幅由像素组成的图片，每个像素代表一个特定的地理区域和属性值。
矢量数据则是通过点、线、面的坐标来精确描述地理实体的形状和位置。
为了有效地管理这些复杂的数据，空间数据库采用了一系列特殊的技术和结构。
其中，索引技术是非常关键的。
它就像是一本书的目录，能够帮助我们快速找到所需的数据。
常见的空间索引包括 R 树、四叉树等。
通过这些索引结构，空间数据库能够在大量的数据中迅速定位到与查询条件相关的部分，大大提高了数据检索的效率。
空间数据库的存储方式也有讲究。
它不仅要考虑数据的存储空间，还要保证数据的读写速度和完整性。
在存储数据时，需要根据数据的类型、规模和使用频率等因素，选择合适的存储介质和存储策略。
例如，对于经常访问的热点数据，可以采用高速缓存来提高访问速度；对于大规模的历史数据，可以采用压缩存储来节省空间。
数据的质量对于空间数据库来说至关重要。
不准确、不完整或不一致的数据可能会导致错误的分析结果和决策。
因此，在数据采集、录入和更新的过程中，需要严格遵循相关的标准和规范，进行数据质量控制和检查。
同时，要建立有效的数据更新机制，确保数据库中的数据能够及时反映现实世界的变化。
《地理信息技术应用》最新备课课件：4-GIS空间数据库
1)采用标准DBMS存储空间数据的主要问题 ➢GIS中空间数据记录是变长的，且要存储和维护空间 数据拓扑关系； ➢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； ➢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。
存储在计算机环境中的相互关联的数据集
在这样的环境中，数据是永久的，也就是说 它可以幸免于软件和硬件的问题（除非是磁盘 崩溃）。
大数据卷和持久性是数据库最大的两个特点。
一个简单的数据库系统环境
Application programs/queries
Software to process queries Software to access stored data
④ 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。
2.数据库的数据与文件组织分级
数据项 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，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。 记录 记录是由若干相关联的数据项组成，是处理和存储信息 的基本单位，是关于一个实体的数据总和，构成该记录 的数据项表示实体的若干属性。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。
DBMS
Stored database
Stored database definition metadata
地理信息系统第四章数据采集与处理
疏林地 733
未成林林地 734
迹地 735
针叶树疏林地 7331
阔叶树疏林地 7332
标志编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
分类
1
属性数据的编码——编码方法 2
平原河
3
过渡河
山地河
• 多源分类编码法： 1
2 3
常年河
对于一个特定的分类时目令河标，根据诸多不同的
消失河
分类依据分别进行12 编码，各位数字代码之间并没有隶属通不航通关河 航河系。
地理数据库四种方式: 1.全部采用文件管理 2.文件结合关系数据库管理 3.全部采用关系数据库管理 4.重新设计具有空间数据和属 性数据管理和分析功能的数 据库系统（OO－DBMS）
6.地理数据库建立
第三节 地图数字化
一、手扶跟踪数字化 数字化仪组成、数字化方式、操作步骤
二、扫描矢量化 扫描仪原理、处理流程、操作方式
地图投影变换
正解变换 反解变换 数值变换
根据两种投影在变 换区内若干同名的 坐标点，采用插值 法、有限差分法、 待定系数法等，实 现不同投影之间的 转换
空间数据处理的方法-压缩处理
数据压缩的目的
节省存贮空间 节省处理时间
空间数据处理的方法-压缩处理
数据压缩途径
压缩软件:原数据信息基本不丢失而且可以大大 节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解 压缩后才能使用
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2 3 4 5 6
树状河 平行河 筛状河 辐射河 扇形河 迷宫河
主〔要河〕流∶一级 支 流∶二级
石大地理信息系统讲义04地理信息系统空间数据库
第四章地理信息系统空间数据库主要内容第一节空间数据库概述第二节空间数据库概念模型设计——传统的数据模型第三节空间数据库概念模型——语义数据模型和面向对象数据模型第四节空间数据库逻辑模型设计和物理设计第五节 GIS空间时态数据库第一节空间数据库概述一、空间数据库概述二、空间数据库的设计三、空间数据库的实现和维护一、空间数据库概述1、数据库通常，数据库是数据库系统的简称。
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。
2、数据组织的分级按逻辑单位分级——从应用的角度来观察数据的，是从数据与其所描述的对象之间的关系来划分数据层次的。
层次有：数据项、记录、文件和数据库。
按物理单位分级——指数据在存储介质上的存储单位，层次是：比特、字节、字、块（物理记录）、桶和卷。
3、数据项（field)•数据项是可以定义数据的最小单位，也叫基本项、字段等。
•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。
•每个数据项都有一个名称，称为数据项目。
•数据项的值可以是数值的、字母的、字母数字的、汉字的等形式。
•数据项的物理特点在于它具有确定的物理长度，一般用字节数表示。
4、记录（record)•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。
•对大多数数据库系统而言，记录是处理和存储信息的基本单位。
•记录是关于一个实体的数据总和，构成该记录的数据项表示实体的若干属性。
5、文件（file)文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。
文件用文件名标识。
6、数据库系统o一个完整的数据库系统应该包括数据库、数据库管理系统（Database Management System,DBMS）和数据库应用系统三个组成部分o数据库是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合；o数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；o数据库应用系统则是为了满足特定的用户处理需求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。
地理信息系统空间数据库
三、关系模型
用二维表来表达实体和实体之间的联系。使得设 计、操纵较为容易。
四、三种传统数据模型的比较
§4.3 空间数据库概念模型设计 —语义模型和面向对象模型
• 传统数据模型的弱点： （1）以记录为基础的结构不能很好面向用户
传统模型－记录；现实世界－事务、实体。有时不对应。
（2）不能以自然对象（Object)：实体的抽象（基本元素），封装了数据和操作集 的实体。
• 消息（Message）：请求 对象执行某一操作或回答 某些信息的要求。
• 类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具 体的关系。
3. 对象的性质
• 封装：
• 继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特 征和功能。不必重复实现，减少代码。
2. 概念模型（空间特征，关系描述）
（1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型； （2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： • 空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； • 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； • 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相
关关系。
3. 空间数据库的数据模型设计
层次、网状显式地描述关系，但不自然；关系模型联系隐 含，必须检索全部记录才能确定。
（3）语义贫乏
用单一结构描述描述“交互”、“从属”、“构成”等众 多联系，语义上无法区别。
（4）数据类型太少
只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。
一、语义数据模型
－实体联系模型（E –R模型）
• 提供三种语义概念：
（1）实体：客观存在的起独立作用的客体。 （2）联系：实体间的相互作用或对应关
系:1:1,1:N,M:N, （3）属性：对实体和联系特征的描述。
GIS原理--地理空间数据库 ppt课件
3．1 语义数据模型 语义数据模型的结构是由若干种抽 象所组成，用这些抽象来描述客体的基 本语义特性，再根据语义模型结构规则 把这些抽象有机地组织起来。 最常用的语义模型之一是实体联系模 型（E—R模型），由实体、联系和属性 构成。
采用E—R模型进行数据库的概 念设计可以分为以下三个步骤： （1）设计局部的E—R模型 （2）设计全局的E—R模型 （3）全局E—R模型的优化
（1）空间数据库 地理信息系统在计算机物理存 储介质上存储的地理空间数据的总和， 一般是以一系列特定结构的文件的形 式组织在存储介质之上的。
（2）空间数据库管理系统 指能够对物理介质上存储的地理 空间数据进行语义和逻辑上的定义， 提供必需的空间数据查询检索和存取 功能，以及能够对空间数据进行有效 的维护和更新的一套软件系统。一般 建立在常规数据库管理系统之上。
第四章 地理空间数据库 §1 空间数据库概述 空间数据库是地理信息系统中空 间数据的存储场所。 用户在决策过程中，通过访问空间 数据库获得空间数据；在决策过程完成 后再将决策结果存储到空间数据库中。
空间数据库的布局和存取能力 对地理信息系统功能的实现和工作 的效率影响极大。
1．1 空间数据库的概念 统进行扩展加入一定量的空间数据 存储与管理功能。（如Oracle）。 方法二，在常规数据库管理系统 之上添加一层空间数据库引擎，以获 得常规数据库管理系统之外的的空间 数据存储与管理功能。（如SDE）
（3）空间数据库应用系统 由空间分析模型和应用模型 构成。
数据库系统的结构
4．4 空间数据库的物理设计
（1）存储记录的格式设计 （2）存储方法设计 （3）访问方法设计 （4）完整性和安全性的考虑 （5）应用设计 （6）形成物理设计说明书
《地理信息系统概论》课程笔记
《地理信息系统概论》课程笔记第一章地理信息系统基本概念1.1 数据与信息数据是原始的、未经处理的素材，它是信息的表现形式。
信息是从数据中提取的有意义的内容，它能够帮助人们做出决策。
在地理信息系统中，数据主要指的是空间数据，而信息则是通过对空间数据进行分析和处理得到的结果。
例如，一个地区的土地利用数据是原始数据，而通过分析这些数据得出的土地利用分布情况就是信息。
1.2 地理信息与地理信息系统地理信息指的是与地球表面位置相关的信息，包括自然地理信息（如地形、气候等）和人文地理信息（如人口、交通等）。
地理信息系统（GIS）是一种专门用于获取、存储、管理、分析和展示地理信息的计算机系统。
GIS能够将空间数据与属性数据结合起来，为用户提供强大的空间分析和决策支持功能。
例如，GIS可以用来分析城市交通拥堵情况，帮助规划交通路线。
1.3 地理信息系统的基本构成GIS由硬件、软件、空间数据、应用人员和应用模型五个基本部分组成。
硬件包括计算机、输入输出设备（如扫描仪、打印机等）；软件包括操作系统、数据库管理系统、GIS软件等；空间数据是GIS的核心，包括地图数据、遥感数据等；应用人员是使用GIS进行空间分析和决策的主体；应用模型则是根据实际问题构建的模型，用于解决具体问题。
例如，一个GIS系统可能包括一台计算机、GIS软件、地图数据和应用模型，用于分析土地利用变化。
1.4 地理信息系统的功能简介GIS的基本功能包括数据采集、数据管理、空间分析、可视化表达和输出等。
数据采集主要是获取空间数据和属性数据，可以通过遥感、野外调查等方式获取；数据管理主要是对数据进行存储、查询、更新和维护，确保数据的准确性和完整性；空间分析主要包括空间查询、空间叠合、空间邻近度分析等，用于解决实际问题；可视化表达主要是将空间数据以图形或图像的形式展示给用户，增强数据的可读性和可理解性；输出则是将分析结果以报表、地图等形式输出，为决策提供支持。
GIS概论 第四章 空间数据库
第四章空间数据库第一节数据库概述数据库技术是60年代初开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术。
数据库的应用领域相当广泛，从一般事务处理，到各种专门化数据的存储与管理，都可以建立不同类型的数据库。
建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。
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，空间数据库的理论与方法是地理信息系统的核心问题。
一、数据库的定义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、存储和应用的相关联的数据集合。
计算机对数据的管理经过了三个阶段—最早的程序管理阶段，后来的文件管理阶段，现在的数据库管理阶段。
其中，数据库是数据管理的高级阶段，它与传统的数据管理相比有许多明显的差别，其中主要的有两点：一是数据独立于应用程序而集中管理，实现了数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益；二是在数据间建立了联系，从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系。
地理信息系统的数据库(以下称为空间数据库)是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合。
空间数据库与一般数据库相比，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，其数据量往往大得惊人。
即使是一个很小区域的数据库也是如此。
(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) 数据应用的面相当广，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、道路建设等等。
上述特点，尤其是第二点，决定了在建立空间数据库时，一方面应该遵循和应用通用数据库的原理和方法，另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其它数据库所没有的管理空间数据的问题。
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第一节 空间数据库概述
两个实体之间的联系可分为以下三类
① 一对一联系(1:1) ② 一对多联系(1:n)。 ③ 多对多联系(m : n)
注意： E-R图仅仅是对现实世界描述的一种工具，仅能建立概念模型 (信息模型)，不能在计算机上直接实现。
❖ 明白即将开发的GIS所支持的各种功能； ❖ 了解系统要求的数据内容和行为； ❖ 了解数据之间的关系和优先次序，这些信息有利于制定数
据库的开发实施计划。 ❖ 了解数据库和GIS的整体要求和蓝图。 用户需求分析方法： ❖现状调查 ❖调查内容的组织的分析
第一节 空间数据库概述
用户需求分析过程
现状调查：通过实际调查了解用户的现状及要求 调查内容的组织的分析：对调查的结果进行整理、分析和组织，并提交 报告及图件。包括： 现有机构的组织结构图 软件、硬件资源表 专业人员清单 部门功能清单 数据来源清单
易于转换 关系、 网状、层次
E-R图
第一节 空间数据库概述
信息世界中的基本概念
(1) 实体(Entity)：客观存在并可相互区别的事物 (2) 属性(Attribute)：实体所具有的某一特性 (3) 码(Key)：唯一标识实体的属性集 (4) 域(Domain)：属性的取值范围 (5) 实体型(Entity Type)：具有相同属性的实体必然有共
第一节 空间数据库概述
第二步 概念化设计
把用户的需求加以解释，用概念模型表达出来，具体任务包括： 1)数据库的宏观定义
间数据查询结果； ④在空间元素间维持复杂的联系，反映空间数据的复杂性； ⑤支持多种决策需要，具有较强的应用适应性。
第一节 空间数据库概述
设计步骤
第一步 需求分析 第二步 概念设计 第三步 逻辑设计 第四步 物理设计 第五步 数据库的实施和维护
第一节 空间数据库概述
第一步 用户需求分析
GIS数据库开发应该主要了解下面的内容
第一节 空间数据库概述
（2）数据模型 常用数据模型种类
❖ 层次模型 ❖ 网状模型 ❖ 关系模型 ❖ 面向对象模型
第一节 空间数据库概述
3. 空间数据库设计的原则、步骤和技术方法
设计原则： ①尽量减少空间数据存储冗余； ②提供稳定的空间数据结构，在用户的需要改变时，数据结构能
够做出相应的变化； ③满足用户对空间数据及时访问的需求，高效提供用户所需的空
第一节 空间数据库概述
二、 空间数据库的设计
1. 空间数据库的设计过程
就是将地理空间客体按一定的组织形式，在数据库系统中加以表达的
过程。 这一过程一般需要两步
现实世界
①人类对客体的认识、抽象， 建立概念模型。
②将概念模型转换为计算机能 够接受的形式，即数据模 型。
人类的认识、抽象
信息世界的 概念模型
第一节 空间数据库概述
3、空间数据库管理系统的实现方法
空间数据库管理系统是建立在常规数据库管理系统的基础上，实现对空 间数据的管理功能。
❖ 常规数据库管理系统扩展：直接对常规数据库管理系统进行扩展， 加入一定数量的空间数据存储与管理功能。 例如：Oracle
❖ 空间数据库引擎（SDE: Spatial Database Engine）：在常规数据 库管理系统上加一层空间数据库引擎，实现空间数据的存储与管理。 例如：ESRI的SDE
转换
机器世界 DBMS支持的数据模型
现实世界中客观实体的抽象过程
第一节 空间数据库概述
地理空间的认知
① 地理空间实体（客体）
地理空间是一个三维空间，有四个基本实体 ➢点实体 ➢线实体 ➢面实体 ➢体实体
第一节 空间数据库概述
② 地理空间实体间的联系
空间联系
空间位置，空间分布，空间形态、空间相关等 空间信息反映了空间分析所能揭示的信息，彼 此互有联系
第一节 空间数据库概述
（1）概念模型
实际上是现实世界到机器世界的一个中间层。概念模型用于信息世界的 建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是设计人员的有力工具。
概念结构 设计过程
特点
需求分析 概念结构
用户需求
抽象
信息结构
概念模型
能够真实、 处分的反映 现实世界
易于理解 用户与设计
人员
易于更改 需求改变 模型改变
第一节 空间数据库概述
2. 空间数据库的相关概念 空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地 理空间数据的总合，以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上。 空间数据库（系统）组成：包括3部分 ➢空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的 地理空间数据的总合，一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介 质上。 ➢空间数据库管理系统：是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语 义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对 空间数据进行有效的维护和更新的一套软件。 ➢数据库应用系统：应用模块。
第四章 地理信息系统空间数据库
主要内容
第1节 空间数据库概述 第2节 传统的数据模型 第3节 语义和面向对象数据模型 第4节 空间数据库逻辑模型设计和物理设计 第5节 GIS空间时态数据库
第一节 空间数据库概述
一、空间数据库的概念
1. 数据库的相关概念 ①数据库：是指长期储存在计算机内有结构的、大量的、可共享的数据 集合。 ②数据库管理系统：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件； 他的功能包括：数据定义，数据操作，数据库的运行管理，数据库的建 立和维护。 ③数据库系统：指在计算机系统中引入数据库后的系统，它由数据库、 数据库管理系统及其开发工具、应用系统、数据库管理员和用户构成。 ④数据库系统管理员： 负责数据库的建立、使用和维护的专门人员。
时间联系
通过实体变化过程来反映。
属性联系
实体间的属性主要体现为属性多级分类体系中 的从属关系、聚类关系和相关关系
第一节 空间数据库概述
2. 空间数据库的数据模型设计
数据模型建立的目的 揭示空间实体的本质特征，并对其进行抽象化，使之转化为计算机能
够接受和处理的数据形式。
❖ 能够对空间数据进行统一管理 ❖ 帮助用户查询、检索、增加删除和修改数据 ❖ 保障空间数据的独立性、完整性、和安全性