地理信息系统空间数据库解剖
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GIS 第四章 GIS空间数据库
1. 程序管理阶段 —20世纪50年代
数据面向应用，程序间不能实现数据共享。
程序1 程序2
2. 文件管理阶段 —20世纪60年代
数据1 数据2
• 由文件系统管理数据，应用程序与数据 的逻辑结构有关联；
• 应用程序直接访问所使用的数据文件；
• 数据共享性、独立性差。
程序1 程序2 程序3
数据库的维护
数据库的通讯
Geographic Information System
应用系统 DBMS OS 硬件
DOBceManS在Un信iv息ers系ity统o中f C的hi位na置
3．数据库应用系统（DBS）
满足特定的用户数据处理 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
径 类：一组对象的抽象描述。有继承性
Geographic Information System
Ocean University of China
第三节GIS数据库逻辑设计
主要包括五个方面的内容： ●数据源的选择； ●各种数据集的评价； ●各数据集的设计； ●数据字典的产生； ●数据库具体存储和管理结构的设计。
点线查询：如某个结点由哪些线相交而成。
Geographic Information System
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面线查询：如某个多边形的边界有哪些线。
面点查询：如某个多边形内有哪些点状地物。
线面查询：如某条线经过（穿过）的多边形有哪些，某 条链的左、右多边形是哪些。
线线查询：如与某条河流相连的支流有哪些，某条道路 跨过哪些河流。
线点查询：如某条道路上有哪些桥梁，某条输电线上有 哪些变电站。
地理信息系统空间数据库
地理信息系统空间数据库在当今数字化的时代，地理信息系统（GIS）已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。
从导航软件帮助我们找到最佳路线，到城市规划者制定合理的土地利用方案，再到科学家研究气候变化对生态系统的影响，GIS 都发挥着重要的作用。
而在 GIS 中，空间数据库则是其核心组成部分，它就像是一个巨大的仓库，存储着各种地理相关的数据，并为 GIS 的运行和分析提供了坚实的基础。
那么，什么是地理信息系统空间数据库呢？简单来说，它是一种专门用于存储、管理和查询地理空间数据的数据库。
与传统的数据库不同，空间数据库不仅能够存储属性数据（如地名、人口数量等），还能够存储地理空间数据（如点、线、面等几何图形以及它们的位置、形状和拓扑关系）。
这些空间数据可以是地图上的各种要素，比如道路、河流、建筑物等，也可以是通过卫星遥感、全球定位系统（GPS）等技术获取的地理信息。
为了更好地理解空间数据库，让我们先来看看它的一些特点。
首先，空间数据库具有海量的数据存储能力。
由于地理空间数据通常非常庞大和复杂，空间数据库需要能够容纳大量的数据，并且能够高效地进行管理和组织。
其次，空间数据库支持空间索引。
这意味着它能够快速地定位和检索特定区域或特定类型的地理空间数据，大大提高了数据查询和分析的效率。
此外，空间数据库还具有强大的空间分析功能。
它可以进行缓冲区分析、叠加分析、网络分析等各种复杂的空间运算，帮助用户从地理数据中提取有价值的信息。
那么，空间数据库是如何构建和管理的呢？一般来说，构建空间数据库需要经过数据采集、数据预处理、数据存储和数据管理等几个步骤。
在数据采集阶段，我们可以通过多种方式获取地理空间数据，如实地测量、遥感影像解译、地图数字化等。
采集到的数据往往存在各种误差和不一致性，因此需要进行数据预处理，包括数据清洗、坐标转换、数据格式转换等，以确保数据的质量和一致性。
然后，将处理好的数据存储到空间数据库中，并建立相应的索引和数据结构，以便快速访问和查询。
地理信息系统数据结构讲义
地理信息系统数据结构讲义 地理信息系统（GIS）作为一门融合了地理学、计算机科学和测绘学等多学科知识的交叉领域，在处理和分析地理空间数据方面发挥着至关重要的作用。而数据结构作为 GIS 的核心组成部分，决定了数据的组织、存储、管理和操作方式，对于高效地实现地理信息系统的功能具有决定性意义。
一、地理信息系统数据结构概述 地理信息系统中的数据结构，简单来说，就是用于描述和组织地理空间数据的方式。这些数据可以包括地形、地貌、土地利用、道路、水系等各种地理要素。
数据结构的选择会直接影响到数据的存储效率、查询速度、分析能力以及系统的整体性能。常见的数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构。
矢量数据结构通过点、线、面等几何对象来表示地理实体，具有精度高、数据量小、便于进行几何分析等优点。例如，在表示道路时，可以用线来精确描绘其形状和位置。
栅格数据结构则将地理空间划分成规则的网格单元，每个单元对应一个属性值，适用于表示连续分布的地理现象，如高程、温度等。其优点是处理简单、易于与遥感数据结合，但数据量相对较大。 二、矢量数据结构 1、 点实体 点是最简单的矢量数据类型，通常用于表示地理空间中的独立位置，如测量控制点、地标等。在计算机中，点可以用一对坐标（x，y）来表示。
2、 线实体 线由一系列有序的点连接而成，用于表示地理空间中的线状要素，如河流、道路等。线的表示不仅包括其顶点的坐标，还包括线的属性，如长度、名称等。
3、 面实体 面是由一条或多条闭合的线所围成的区域，用于表示地理空间中的面状要素，如湖泊、行政区等。面的表示需要明确其边界线以及内部的填充属性。
在矢量数据结构中，为了提高数据的存储和处理效率，还常常采用拓扑数据结构。拓扑关系描述了地理实体之间的邻接、关联和包含等关系，有助于进行空间分析，如网络分析、多边形合并等。
三、栅格数据结构 栅格数据结构将地理空间划分为规则的网格，每个网格称为一个像元或像素。像元的值表示相应位置的地理属性。
第五章地理信息系统空间数据库
一、混合结构模型（Hybrid Model） 、混合结构模型（ ）
GIS RDBMS 几何空间数据存储子系统
混合结构模型 基本思想：用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据， 基本思想 其中属性数据存储在常规的RDBMS中，几何数据存储在空间 数据管理系统中，两个子系统之间使用一种标识符联系起来 。 在检索目标时必须同时询问两个子系统，然后将它们的回答结合 起来。
3、关系数据模型
在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的 二维表，表具有固定的列数和任意的行数，在数学 上称为“关系”。二维表是同类实体的各种属性的 集合，每个实体对应于表中的一行，在关系中称为 元组，相当于通常的一个记录；表中的列表示属性， 称为域，相当于通常记录中的一个数据项。若二维 表中有n个域，则每一行叫做一个n元组，这样的关 系称为n度(元)关系。表的行对应于对象的实例，各 个表的行列交点就用来存贮简单值。满足一定条件 的规范化关系的集合，就构成了关系模型。
1、面向对象的基本概念
类 共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。
数据模型常用概念
1）实体(Entity)：实体是指现实世界中客观存在的，并 可相互区别的事物。实体可以指个体，也可以指总 体，即个体的集合。 2）属性(Attribute)：实体所具有的某一特性。 ）属性 ：实体所具有的某一特性。 3）码(Key)：唯一标识实体的属性集 ） ：唯一标识实体的属性集. 4）域(Domain)：属性的取值范围 ） ：属性的取值范围. 5）实体型 ）实体型(Entity Type)：具有相同属性的实体具有 ： 共同的特征和性质，用实体名和属性名集合表示. 共同的特征和性质，用实体名和属性名集合表示 6）实体集 同型实体的集合. ）实体集(Entity Set):同型实体的集合 同型实体的集合 7）联系：一是实体内部的联系；二是实体型之间的 ）联系：一是实体内部的联系； 联系(1:1 、1:n、 m:n)。 联系 、 。
第5章 地理信息系统空间数据库1
第1 节
GIS空间数据库的概念
一、空间数据库的概念
2.空间数据的特征： 2.空间数据的特征： 空间数据的特征
1）时空间特征，实体的几何特征及其与其他实体的空间关系，同时还具有阶段 性、周期性、顺序性及不可逆的时间变化特征 2）多维结构特征 ，不仅能描述空间三维和时间维，还可以表现空间目标的属性 以及数据不同的观测方法、不同来源、不同载体等多维信息 3）多尺度特征，地理过程具有尺度特征，不同尺度表达地理过程或现象的信息 密度差异很大 4）不确定性特征 ，是信息源没有完全表达的程度，包含误差和难以观察的要素 5）海量性特征，空间和属性数据源多样，且更新快，数据量大
原始数据（属性阵列） 原始数据（属性阵列）
0 4 4 0 0 0 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 4 4 4 4 8 0 0 0 7 4 4 8 8 8 0 0 7 4 8 8 8 8 8 0 7 7 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7 7 8 8 8 7 7 7 7 8 8 8 8 0 2 8 10 32 34 48 50
空间数据范围内的所有超市 1000 找出连云港市内附近500 500m 找出连云港市内附近500m内有学校的所有售房
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
现有空间数据库简介
ESRI Personal database(mdb) SDE(sde for oracle | mysql | sqlserver) Oracle spatial Mysql spatial PostgreSQL+PostGIS ……
空间数据库需要解决的技术问题
假设底层设计空间数据库的步骤（以矢量数据模型为例） 假设底层设计空间数据库的步骤（以矢量数据模型为例）
地理信息系统空间数据库
• 空间数据库：GIS在计算机物理存储介质 上存储的与应用相关的地理空间数据， 一般以特点数据结构的文件的形式组织。
• 空间数据库管理系统：能进行语义和逻 辑定义存储在空间数据库上的空间数据， 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。--建立在常 规DBMS上，具有特定空间数据管理功 能。
三种数据模型的比较
Geodatabase数据模型
• 在GeoDatabase地理数据模型诞生前，空间数据多是以 文件形式管理的，如ArcView的Shapefile和ArcInfo的 Coverage等。
• 在过去近二十年中，Shapefile、Coverage数据模型得到 了广泛的应用，但是随着GIS技术和数据库技术的发展， 以文件形式管理空间数据暴露出了在数据输入、存储 及管理等方面的缺欠。
属性联系：从属/聚类/相关
数据模型设计
空间数据模型：对空间客体进行描述和表 达的数学手段，使之能够反映客体的某 些结构特征和行为功能。
优点：能对空间数据进行统一的管理，帮 助用户查询、检索、增删和修改数据， 保证空间数据的独立性、完整性和安全 性，以利于对空间数据的使用和管理。
数据模型
• 层次模型 • 网状模型 • 关系模型 • 语义模型 • 面向对象模型
• Model Management Diagrams include Packages, Subsystems, and Models.
What Is a CASE Tool?
Since the early days of writing software, there has been an awareness of the need for automated tools to help the software developer. Initially the concentration was on program support tools such as translators, compilers, assemblers, macro processors, and linkers and loaders. However, as computers became more powerful and the software that ran on them grew larger and more complex, the range of support tools began to expand. In particular, the use of interactive time-sharing systems for software development encouraged the development of program editors, debuggers, code analyzers, and program-pretty printers.
地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.3
空间数据 存储器
外部数据装载
空间数据库管理系统（SDBMS）
空间数据备份
操作系统
数据库管理系统 空间数据库管理系统
数据库用户
空间数据库系统组成
空间数据库 空间数据库管理系统软件功能
星蓝海学习网3
空间数据库的结构模式
GIS应用 软件
GIS应用 软件
GIS应用软 件
GIS应用 软件
管理空间 数据的软件
第三章 空间数据模型与数据结构
星蓝海学习网1
3.3 地理空间数据库与数据库管理系统
✓空间数据库是GIS的核心，空间数据库管理系统是用户与操作系 统之间的一层数据管理软件。（物理模型）
✓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务。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
空间数据 库
空间数据 库
星蓝海学习网
思考题:
1．什么是矢量数据，什么栅格数据？试比较这两种数据结构的特点和优缺点。 2．如何进行点 、线、面状数据要素的矢量/栅格方式转换，或栅格/矢量方式转换？ 3．为什么要采用矢量—栅格一体化的结构？说明其基本结构原理。 4．为了节省存储空间，人们一般采用哪些方法对栅格数据进行压缩？ 5．一幅地理的结点、弧段和面域之间存在哪几类拓扑关系？试举例说明。 6．试通过编程实现二维行程编码的过程。 7．与非空间数据相比较，空间数据库有什么特点？ 8．面向对象数据模型与面向对象技术方法的关系及区别？
属性数据、几何数据同时采用 关系式数据库进行管理
属性数据 （定长记录）
空间数据和属性数据不必进行