空间数据库

1空间数据库第一章绪论信息的定义哲学上：人们所认知与感知对象的抽象,是现实世界中各种事物的特征及事物间的联系。数学上：是确定性的度量，两次不定性之差，与随机对立。物理上：是一种能量，与熵对立。信息的特性：无限性、共享性、创造性数据：是指客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述。信息与数据的联系：1、数据是信息的符号表示，或称载体2、信息是数据的内涵，是数据的语义解释3、数据是符号化的信息4、信息是语义化的数据空间数据的基本特征：空间、时间和专题属性。空间数据具有3个特点：1、需要处理的数据量大2、需要空间和非空间两类数据3、需要记录空间对象随时间而演变的历史数据数据库：DATABASE，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理数据的基地。空间数据库：是描述与特定空间位置有关的真实世界对象的数据集合。空间数据库三类用户：1、GIS分析人员2、网络应用（网络电子地图、移动电话定位等）3、流动服务和基于位置服务（PDA，OpenLocationService,OpenLS）空间数据库的发展历程：（1）基于关系模型的空间数据库（2）面向对象的空间数据库（3）基于对象－关系模型的空间数据库纯关系型空间数据库缺陷：①在封装数据与操作上的不足②不能处理复合关系③不能处理聚集关系④无法处理具体与一般的关系分布式数据库的特色：①地方自治性②相互协作性③位置透明性④副本的透明性演绎数据库的特点：易维护、易扩充、冗余度小和数据录入量少。演绎数据库、知识库与智能数据库的联系与区别共同之处：三者都是人工智能与数据库的结合，都是以数据库为基础，吸取了人工智能的成功技术的成果不同之处：演绎数据库与智能数据库均属于数据库范围，它们均以数据库为基础，吸取了人工智能的技术。它们管理的是数据，而知识库管理知识演绎数据库虽然也含有规则，但它含有的规则较少，而含有的数据却是大量的，这是与知识数据库不同的。智能数据库不仅应用人工智能中的逻辑推理思想，而且还应用人工智能中自然语言理解、语言识别，图象、文字处理等多种方法与技术于数据库，以求得更多的功能、性能的改善与提高。时态数据库：存储现实世界的时间经历状态信息的数据。管理时态数据的数据库系统需要对时间语义提供三方面的支持：时间点、时间间隔、与时间有关的关系实时数据库：若是机事件都有和数据库时间相等（或非常接近）的情形，可称此数据库为实时数据库。2实时数据库、传统数据库、实时系统第二章空间现象抽象表达空间类型表现形式：①物理空间②感觉运动空间③感知空间④认知空间⑤符号空间空间认知模式：空间特征感知-----空间对象认知------空间格局认知现实世界认知过程：空间模型模型：现实世界中的某些事物的一种抽象表示。建模：建立概念关系、数学和/或计算机模型的过程。认知---抽象---简化；知识---数据---应用建模思路：a、自顶向下、逐步求精；b、底向上、综合集成建模方法：a、形式化方法；b、图示化方法①面向过程的建模②面向数据的建模③面向信息的建模④面向决策的建模⑤面向对象的建模空间认知的三层模型：空间概念数据模型---空间逻辑数据模型---物理数据模型空间认知的九层抽象模型空间实体：是存在于自然世界中地理实体，与地理空间位置或特征相关联，在空间数据中不可再分的最小单元现象。3基本的空间实体点状实体类型：实体点：用来代表一个实体注记点：用于定位注记内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。结点：表示线的起点和终点角点：表示线段和弧段的内部点线状实体特性：实体长度、弯曲度、方向性面状实体特性：面积范围、周长、独立性或与其它的地物相邻、内岛或锯齿状外形、重叠性与非重叠性体状实体特性：体积、每个二维平面的面积、周长、内岛或锯齿状外形、含有孤立块或相邻块、断面图与剖面图场模型三个组成部分：空间框架、场函数、场操作场操作：局部操作、聚焦操作、区域操作场的特征：1）空间结构特征和属性域2）连续的、可微的、离散的3）各向同性和各向异性4）空间自相关矢量数据结构类型1、Spaghetti(面条)结构也称实体结构：按多边形来组织数据.主要特点：①易于实现以多边形为单位的运作，数据编排直观，便于显示；②多边形公共边界多次存储，会导致数据冗余；③点、线和多边形有各自的坐标数据，每个多边形自成体系，但缺少拓扑的信息；④多边形公共边界的多次存储记录，会造成数据不一致问题（相邻的多边形之间会出现压盖或裂隙现象）；⑤不能解决“洞”和“岛”之类的多边形嵌套包含问题。2、拓扑矢量数据结构主要特点：①相邻多边形的公共边界只存储一次，相连弧段的公共结点只存储一次，没有数据冗余，因而不存在数据不一致问题（多边形之间不会出现压盖或裂隙现象）；②不仅实际存储了拓扑信息，而且拓扑信息与空间坐标是分离存储的，易于邻接、关联、包含查询操作；③一开始就需创建拓扑表，需花费一些时间和空间；④一些简单图形操作可能会变慢。矢量数据的特点：1.用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含2.用拓扑关系描述空间对象之间的关系3.面向目标操作，精度高，数据冗余度小4.与遥感图像数据难以结合5.输出图形质量好，精度高最基本的拓扑关系：关联、邻接和包含表达方式：全显式表达/半显式表达。栅格数据结构实际上就是像元阵列，即像元按矩阵形式的集合。点实体用一个栅格单元表示4线实体用沿线走向的一组连接成串的相邻栅格单元表示面实体用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示栅格数据的获取方式：①手工目读网格化②数字化仪手扶跟踪仪矢量化之后转换为栅格结构③扫描数字化④分类影像输入⑤其它栅格数据取值方法：①中心归属法②面积占优法③长度占优法④重要性法栅格数据结构的特点：①用离散的栅格值表示空间对象，进行空间数据的叠置分析、组合分析等空间分析比较容易②位置隐含,属性明显③数据结构简单,但图形数据量较大④几何偏差及属性偏差通常较大⑤面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系（如拓扑）⑥显示容易，坐标变换、地图投影等操作费时复杂栅格数据组织三种基本方式：基于像元、基于层和基于多边形数据组织方法：将栅格看作一个数据矩阵，逐行逐个记录栅格单元的值。可以每行都从左到右，也可奇数行从左到右而偶数行从右到左。栅格数据存储（P45）链式编码行程编码（游程长度编码）特点：属性的变化愈少，行程愈长，压缩比例越大，即压缩比的大小与图的复杂程度成反比。块式编码的三个内容：块的原点坐标，块的大小，记录单元的代码四叉树编码基本思想：将图像区域按四个大小相同的象限四等分，一直等分到子象限上仅含一种属性代码为止。矢量数据结构与栅格数据结构之对比5第三章空间数据模型空间关系：是指空间目标之间在一定区域上构成的与空间特性有关的联系。空间关系类型：拓扑关系、方向关系、邻近关系、距离关系拓扑变换：拉伸、扭曲、旋转、偏移、缩放等。拓扑变换具体表现：邻接、关联、包含、相离、相交、重合等。（在拓扑关系、度量关系以及顺序关系这三种空间关系之中，拓扑关系是最本质的关系。）九交模型（P52）缺点：1.九交模型中的外部太大。对于一个面积有限的空间目标而言，它的外部是无限的。这导致任意两个目标的外部的交总是非空。2.外部的无限性，导致目标的外部与边界和内部是线性相关的，使得外部在九交模型中的作用不是很明显。3.只能描述简单目标（不带洞而单一的实体）间的拓扑关系，而不能描述复杂目标（带洞或由几个分离目标组成的目标）间的拓扑关系。三维空间拓扑关系（P53）可以用相离、相等、相接、相交、包含于、包含、叠加、覆盖、被覆盖、进入、穿越、被穿越共12种基本空间关系表达3D空间中的点-点、点-线、点-面、点-体、线-线、线-面、线-体、面-面、面-体、体-体这10类空间拓扑关系，共10类54种。具体地点-点空间关系：2种点-线空间关系：3种点-面空间关系：3种点-体空间关系：3种线-线空间关系：7种线-面空间关系：5种线-体空间关系：5种线-面空间关系：10种面-体空间关系：8种体-体空间关系：8种空间度量关系欧几里得距离定义：空间顺序关系方位的概略描述方案：八方向方案、十六方向方案。面向对象空间数据模型四个抽象概念：分类、概括、聚集、联合。两个语义模型工具：继承、传播。面向对象数据模型基本概念：对象、类、实例、消息、属性和方法Geodatabase数据模型优点:1.空间数据统一存2.空间数据录入和编辑更加精确3.用户操作更直观的对象4.要素拥有更丰富的背景信息5.可以制作更优质的地图6.动态显示地图上的要素7.定义了更好的要素外形8.要素集是连续的9.多用户同时编辑地理数据空间表达式：1.用矢量数据表达离散的空间要素二维空间拓扑关系62.用栅格数据表达影像、格网化专题数据、曲面3.用不规则三角网（TIN）表达曲面层次结构网格的创建方法：规则网格采样法、等高线生成法、TIN转换为栅格（网格）法三维空间数据模型构模方法：面模型、体模型、混合模型三维矢量、三维体元、混合或集成模型、面向实体模型三维边界表示法（三张表）：顶点表、边表、面表三维边界模型特点：边界清晰、精度高、适用于规则的、简单的3D实体；有利于以点、线、面为基础的几何运算和操作，不适合几何变换及布尔空间操作，切割任意剖面时速度较慢。八叉树特点：适于集合运算、具有层次性和有序性四面体格网（TEN）：是一种特殊形式的栅格模型，该模型以四面体作为描述空间实体的基本几何元素，将任意一个三维空间实体划分为一系列邻接但不重叠的不规则四面体。四面体格网由点、线、面和体四类基本元素组合而成。每个四面体包含4个三角形，每个三角形包括3条边，每条边与两个点相关联。四面体网格的生成算法：1.基于表面模型的生成算法2.基于八叉树体模型的四面体网格生成算法3.基于离散点的四面体网格生成算法4.四面体的拓扑优化LOP7三维混合数据模型（P87）面模型侧重于表达3D表面，便于3D显示，但不便于空间分析。体模型侧重于3D边界及内部的整体表示，易于空间操作和分析。混合模型既综合面模型体模型的优点，又综合规则体元及不规则体元优点三维GIS三维空间数据模型和数据结构理论是三维GIS研究的首要问题。二维GIS：即传统意义上的GIS，只能处理平面X、Y轴上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。2.5维（假三维）GIS：在二维GIS的基础上，考虑了Z轴上的信息，但并未处理，只将其作为附属的属性变量对待。如DEM，虽然赋予了Z轴高程信息，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有。三维GIS：表达考虑多个Z值的出现，能表示多层属性。四维GIS：三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。第四章空间数据库组织与管理基本的文件组织方式有：顺序组织、索引组织、散列组织、链组织。数据库管理系统（DBMS）任务：对数据资源进行管理，使之能为多个用户共享;保证数据的安全性、可靠性、完整性、一致性、独立性。三层抽象两次映射：DBMS的数据独立性：逻辑数据的独立性、物理数据的独立性物理层——对用户透明逻辑层——数据模型概念层——直接面对用户功能：①数据库定义功能②数据库操纵功能③数据库查询功能④数据库控制功能⑤数据库通信功能数据库管理(DBS)与文件管理的区别与联系①数据共享文件：文件中的数据由特定的用户专用DBS：库内数据由多个用户共享②可控冗余度文件：每个用户拥有自己的数据，导致数据重复存储DBS：原则上可消除重复。为方便查询允许少量数据重复存储，但冗余度可以控制③数据独立性文件：数据从属于程序，二者相互依赖DBS：数据独立于程序，强调数据的独立性④数据的结构化文件：各数据文件彼此独立，从整体看为“无结构”的DBS：各文件的数据相互联系，从总体看是“有结构”的空间数据管理方式81.文件管理不足之处：增加了属性数据管理的开发量，不利于数据共享。2.文件与关系数据库混合管理不足之处：①属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢；②数据分布和共享困难；③属性数据和图形数据分开存储，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