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本课件讲解空间数据管理的原理，先交代数据组织分级、常用数据文件与数据库概念，再介绍层次、网络、关系等传统数据模型与面向对象数据模型，随后说明空间数据库管理系统的几种实现方式和空间数据组织与索引方法。
本章主要介绍：数据库与数据库管理系统的概念、数据库模型、空间数据库管理系统、空间数据组织与管理、空间索引
1.1 数据组织分级们1.2 数据之间的逻辑关系们1.3 常用数据文件1.数据与数据文件
数据组织的层次可以有两类分级方法：按逻辑单位分级、按物理单位分级
数据物理单位是指数据在存储介质上的存储单位,层次结构为:比特、字节、字、块（物理纪录）、桶和卷
数据库中数据的组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件、数据库心1.1 数据组织分级
数据间的逻辑关系主要是指记录与记录之间的关,主要包括三种: 一对一的关系 一队多的关系 多对多的关系
数据组织包括：数据在内存中的组织、数据在外存中的组织两个方面
而文件组织是数据组织的一部份，文件组织主要指数据记录在外存设备上的组织，它由操作系统进行管理
东例如书目文件作者名：分类号：出版单位：出版时间：价格：华理工大学程朋根书目卡片记录数据项登录号：书名：S01樊映川高等数学001L01罗远祥理论力学002S01华罗庚高等数学003S02栾汝书线性代数004…………书目文件按书名按作者名按分类号001,…樊映川001，003……高等数学002,….华罗庚002，……..理论力学004,….栾汝书004，……线性代数…….……..……002,…L001,003,S…………索引表
数据库（Database，简称DB）是储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合
数据库中的数据按照一定的数据模型存储、组织和描述，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享
要求GIS数据库遵循通用数据库的原理和方法，又要考虑地理空间数据的特点，建立空间数据库
与文件系统相比，数据库具有更强的数据库管理能力，体现在 数据集中控制：集中控制和控制有关数据，以保证用户和应用可以共享数据 数据冗余度小：通过数据库德有效设计可以消除冗余数据，但有时适当的冗余可以提高数据处理效率 数据独立：数据库中，数据与应用程序是相互独立的；各自的改变不会影响对方 复杂的数据模型：采用数据模型是数据库方法与文件方式的本质区别，复杂的数据模型是实现数据集中管理、减少数据冗余的前提 数据保护：数据库系统为数据提供了保护措施，包括：安全性控制（权限）、完整性控制（数据正确、有效、相容）、并发控制、故障的发现和恢复
数据库管理系统地主要功能是允许用户逻辑地、抽象地处理数据，而无需考虑这些数据在计算机中是如何组织存储的
用户所看到的数据与计算机中存放的数据是两回事，中间存在若干层的联系和转换，其目的是：方便用户、便于数据库的全局逻辑管理、为数据在物理存储器上的组织提供方便
数据库系统涉及到用户、系统管理员与分析员、系统设计人员，他们所看到的数据库是：用户数据库、概念数据库、物理数据库
存储模式（InternalSchema）是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式
概念模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图；它是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、开发工具无关
用户模式（ExternalSchema）是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示；用户模式是概念模式的子集；用户模式是保证数据库安全性的一个有力措施
数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简称DBMS）是处理数据库存取和各种管理控制的软件，它位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，提供数据库的用户接口
BMS的目的：提供一个可以方便地、有效地存取数据库信息的环境
数据库最终用户应用系统应用开发工具DBMS操作系统数据库管理员DBA数据库系统构成应用程序员
数据模型（DataModel）是现实世界数据特征的抽象,在数据库中使用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息
概念模型，也称信息模型，从用户的观点来对数据和信息建模，强调其语义表达能力，是对现实世界的第一层抽象，是用户和数据库设计人员之间进行交流的工具
逻辑模型，按照计算机系统的观点对数据建模，用严格的形式化定义，便于在计算机系统中实现，主要用于DBMS的实现；主要包括网状模型、层次模型和关系模型
数据模型（DataModel）是现实世界数据特征的抽象,在数据库中使用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息
概念模型，也称信息模型，从用户的观点来对数据和信息建模，强调其语义表达能力，是对现实世界的第一层抽象，是用户和数据库设计人员之间进行交流的工具
逻辑模型，按照计算机系统的观点对数据建模，用严格的形式化定义，便于在计算机系统中实现，主要用于DBMS的实现；主要包括网状模型、层次模型和关系模型
成果数据管理单元元数据成果数据文件历史数据管理单元历史数据文件历史元数据浏览数据管理单元浏览元数据浏览数据文件说明↓1管理单元基础信息属性关系实体图例管理单元基础信息1包含→细分↑1M←包含M1M1迁移↓11简化↑M1迁移↓11简化↑11←包含M1包含→1M←包含M11说明↑1说明↓11成果数据管理信息说明↑11说明↓1历史数据管理信息11:5000 数据库系统E-R图
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数据项（字段） 满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型 实体之间的联系不是指针表示，而是由数据本身通过公共值隐含地表达它们之间的联系，并且可以用关系代数和关系运算来操作数据。 可以使用SQL语言对其进行操作
面向对象（Object-Oriented，OO）的概念和思想起源于面向对象的编程语言
面向对象的定义是指无论多么复杂的事物或现象都可以由一个对象表示，这个对象是一个包含了数据集和操作集的实体，也就是说面向对象的方法具有封装性
面向对象方法中，对象和类是核心，同时面向对象方法提供了分类、概括、联合和聚集四种语义抽象技术和继承、转播两种语义抽象工具
人工交通线自然交通线水系河流池塘高速公路运河可航行河流不可航行河流GIS中多个继承实例学校饭店建筑物医院招待所旅社涉外宾馆…………单个继承实例
集合对象与复合对象的共性是它们都是由一组实例对象（同类或不同类）组合而成的复杂对象 复杂对象的属性一部分来自复杂对象本身所属类所定义，另一部分依赖于组成复杂对象的实例对象，这就是传播的概念 传播原理就是成员对象的相关属性只存储一次，并传给复杂对象，显然，当成员对象的属性值被修改以后，无须对复杂对象的属性进行修改，因而可以减少数据的冗余并保证数据的一致性
空间对象四边形点元 ((X,Y,Z)线段三角形四面体规则几何体面对象断面数字表面模型数字立体模型弧结点规则体元规则格网三棱柱体对象线对象复杂对象影象点对象属性三维空间数据模型总体框架
体对象空间对象复杂对象似三棱柱面对象点对象结点 ((X,Y,Z)线段三角形侧面四边形线对象栅格聚集概括关联组成UML表示的似三棱柱体概念模型
通用的数据库模型和数据库管理系统并不能完全适合空间数据库的组织于管理，需要采取一定措施，或混合管理、或扩展关系数据库、或研制面向对象数据库 4.1 空间数据的特征 4.2 传统数据库管理空间数据的不足 4.3 文件与关系数据库混合管理 4.4 全关系型空间数据库管理系统 4.5 对象关系数据库系统 4.6 面向对象空间数据库管理系统4.空间数据库管理系统
1）空间分布特征每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特征，在空间数据组织方面，要考虑它的空间特征➔需要建立空间索引
2）非结构化特征空间数据不满足结构化要，它的数据项可能是变长的➔难以直接采用关系数据库
3）空间关系特征空间数据记录的拓扑信息表达了多种空间关系，方便了空间数据的查询和空间分析，但是给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性
4）分类编码特征每一个空间对象都有一个分类编码，每一种地物的类型在某个GIS中的属性项个数是相同的;一种地物类型对应于一个属性数据表文件
5）海量数据特征空间数据量是巨大的，比一般的通用数据库要大得多；一个城市地理信息系统的数据量可能达几十GB，如果考虑影像数据的存储，可能达几百个GB；需要在二维空间上划分块或者图幅，在垂直方向上划分层来进行组织
4.2 传统数据库管理空间数据的不足空间数据传统数据库项目连续的、并且有很强的空间关系不连续的、相关性较小的数字或者字符型数据数据内容实体类型繁多、实体间存在复杂的空间关系实体类型少，实体之间关系简单、固定实体类型变长记录，数据项多、且复杂等长记录的数据记录长度需要进行大量的复杂空间数据操作和查询，如包含查询只操作和查询数字和字符信息操作
GIS数据库是某区域内关于一定空间实体特征的数据集合，主要涉及对图形和属性数据的管理和组织
采用文件系统管理图形数据、商用关系数据库管理属性数据，并采用对象标识 ((oid)或内部连接码进行联系
这种管理模式有:Arc/INFO、MapInfo、MicroStation
全关系型空间数据库管理系统传统是指图形数据和属性数据都采用现有的关系数据管理系统管理
关系数据库不作任何扩展，由GIS软件商在此基础上进行开发，以便能够管理图形和属性数据,有两种模式： (1)基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模型来组织，要分解成多个关系表，查找是涉及到多个关系表，作多次连接投影运算，因而在处理空间目标示效率不高，例如SelectX,YFromP,E,N,C//P多边形,E多边形-边,N边-结点,C结点坐标WhereP.P#=E.P#andE.E#=N.E#and ((N.NB=C.N#andN.BN=C.N#) (2)将图形数据的变长部分处理成Binary二进制块BLOCK字段，省去了大量的关系表的连接操作，但读写速度慢，尤其是涉及对象嵌套时速度更慢
对传统的关系数据库进行扩展，使之能够直接存储和管理非结构化的空间数据
如Oracle，Ingress，Informix都推出了空间数据管理专用模块，定义了操作点、线、面等空间对象的API函数
理论上讲：面向对象的数据模型，支持变长记录、支持对象嵌套、信息的继承与聚集；允许用户定义对象和对象的数据结构以及它的操作；数据结构可以是具有拓扑关系的
实际上：面向对象的数据库关系系统还不够成熟，价格昂贵，在GIS领域还不够通用；目前推出的面向对象数据库管理系统有O2,Jasmine等
W4314000W45W44W42W41130001400013000W35W34W33W32W3112000W13000W25W2423W22W2111000W15W14W13W12W11100001500014000130001200011000 工程管理——建立工作区（图幅）索引
空间数据库管理系统地理空间信息在线运行数据库DRG-MD图幅2……图幅1DEMDOMDLG境界其他要素水系道路居民地等高线TDMD分块2……分块1专题层2专题层1图幅2……图幅1……磁盘分块2……分块1在线运行数据库逻辑模型
图幅索引可以看成是最粗的一级空间索引，但还不足以能够快速查询空间目标，如果没有空间索引，检索目标时需要对整个工作区中的空间对象进行判别，费时、影响速度。
对象范围索引仍需要对整个数据文件内的空间对象进行检索，只是有些对象可以直接判别予以排除。
20222830525460621719252749515759571315373945474613911333541430281032344042(a)121436384446GA1618242648505658FD2123293153556163CB
基于Peano键的格网索引（1）记录每个格网内所包含的空间对象。
空间索引空间对象Peano键B7F14F15A25F26D32D33D，G35F37D38F39F48F50C54C55C6 对象索引Peano键集空间对象25-25A7-7B54-55C60-60C32-32D35-35D38-38D14-15F26-26F37-37F39-39F48-48F50-50F35-35G
四叉树空间索引（线性四叉树）5E713G15B4F612141A3D028C空间对象边长Peano键集E40D20A11F14C28B，G115
层1边长4层2边长20E12GB158C4F4D0A1层3边长1
层次四叉树空间索引只记录中间结点和父结点到子结点之间的指针，如果某个空间对象覆盖了哪一个中间结点，还要记录该空间对象的标识（OID）,这种方法实现和维护比较麻烦。
R树空间索引设置虚拟矩形作为空间索引，包含所包含对象的指针；每个矩形可以包含多个空间对象，矩形之间尽可能少的重叠。AFGDECMNLBKJHICBANMLKJIHGFED
R+树空间索引为了R树的平衡，允许虚拟矩形相互重叠，并允许一个空间目标被多个虚拟矩形所包含。
CELL树空间索引它在空间划分时不再采用矩形作为划分的基本单位，而是采用凸多边形来作为划分的基本单位，这样子空间不再相互覆盖;CELL树的磁盘访问次数比R树和R+树少，由于磁盘访问次数是影响空间索引性能的关键指标，故CELL树是比较优秀的空间索引方法
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