武大资环GIS课件
第四讲 空间数据库模型
1. 空间数据库的概念 2. 空间数据库模型
? 空间数据库
? 是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关地理空间数据
的总合
? 空间数据、属性数据以及时间数据
? 空间数据库系统
? 空间数据库、空间数据库管理系统以及其它们的软、硬件系统的总称。
? 空间数据库的特征
? 空间特征：一般需要建立空间索引
? 非结构化特征：结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原
子数据.而空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录 ? 空间关系特征： 拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性 ? 海量数据特征 ? 数据种类多，复杂 ? 数据应用面相当广
? 空间数据库管理系统
? 是指能够对物理介质上存储的空间数据进行语义和逻辑上的定义,提供必须
的空间数据查询、检索和存取功能,能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统
? 提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是应用户数据处理需求而建
立的具有数据库访问功能的应用软件
? 一般由专业GIS软件提供，一般需要进行二次开发
? 传统数据库模型
? 数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结
构
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? 数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑
模型 ? 层次模型 ? 网络模型 ? 关系模型
? 层次模型用于GIS空间数据库的局限性
? 层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解 ? 用于GIS地理数据库存在的主要问题是
? 很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物
理存储上的冗余
? 对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的
查询效率很低，很难进行反向查询
? 数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复
杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除 ? 网状数据操作命令具有过程式性质
? 网络模型用于GIS空间数据库的局限性
? 网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，具有一定的数
据独立和数据共享特性，且运行效率较高 ? 用于GIS地理数据库的主要问题如下
? 由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟
悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置
? 网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题 ? 不直接支持对于层次结构的表达
? 关系模型用于GIS空间数据库的局限性
? 对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有
局限，表现为：
1）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，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱
2）用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理
3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高
4）空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系
5）一般RDBMS都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作 6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能
7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息 8）GIS管理的是具有高度内部联系的数据，为了保证地理数据库的完整性，需要复杂的安全维护系统，而这些完整性约束条件必须与空间数据一起存储，由地理数据库来维护系统数据的完整性。否则，一条记录的改变会导致错误、相互矛盾的数据存在，而一
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般RDBMS难以实现这一功能
? 基于纯文件的管理方式
? 图形数据和属性数据在一个文件中存储和管理 ? 缺点
? 程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随
之改变
? 以文件形式共享，当多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需
得到所有应用的许可。不能达到真正的共享，即数据项、记录项的共享
? 基于文件＋关系数据库的管理方式
? 图形数据用文件存储和管理，属性数据用关系数据库管理 ? 缺点
? 程序依赖于图形数据文件的存储结构，数据数据文件修改时，应用
程序也随之改变 ? 以文件形式共享，当多个程序共享一图形数据文件时，文件的修改，
需得到所有应用的许可。不能达到真正的共享，即数据项、记录项的共享
? 基于文件＋关系数据库的管理方式 第一种方式
图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统来回切换，不方便。
第二种方式
? GIS 通过DBMS提供的高级编程语言C或Fortran等接口，在C语言的环境下，直接
操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。
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? 在ODBC(Open DataBase Connectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商只需开发
GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据。
? 采用文件与RDBMS的混合管理模式中文件管理系统的功能较弱，特别是在数据的安
全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能。因而GIS软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMS。
? 基于纯关系数据库的管理方式
? 用RDBMS同时管理图形数据和属性数据 ? 有两种模式：
? 基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一
系列关系连接运算，费时。
? 将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段（多媒体或变长文本）。
省去大量关系连接操作，但Binary Block的读写效率比定长的属性字段慢得多，特别涉及对象的嵌套时，更慢。
? 第一种方式：
? 关系数据模型组织
? GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统
功能
?
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? 第二种方式：
? 将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段 ? 由GIS开发人员完成
? 第三种方式：
? 将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段 ? 由RDBMS开发人员开发 ? 对象－关系数据库管理方式
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