空间数据库导论讲稿优秀课件.ppt
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1、空间数据库导论讲稿第1页,本讲稿共25页各类空间及其共性各类空间及其共性三、空间数据库是一个通用概念三、空间数据库是一个通用概念:空间数据库原理与技术适用于上述各类空间,空间数据库原理与技术适用于上述各类空间,但不同空间具有各自的特点,针对不同空间的空间但不同空间具有各自的特点,针对不同空间的空间数据库在数据模型和具体结构上具有一定差异。数据库在数据模型和具体结构上具有一定差异。地理空间是最大、最复杂的一种空间,地理空地理空间是最大、最复杂的一种空间,地理空间数据库是最复杂的、具有代表性的、应用面最广间数据库是最复杂的、具有代表性的、应用面最广的一种空间数据库。的一种空间数据库。第2页,本讲稿
2、共25页导导 论论 一、空间数据库的一、空间数据库的任务任务二、地理空间的二、地理空间的概念、概念、定位框架定位框架与模型与模型三、空间数据的三、空间数据的概念概念与特点与特点四、空间数据管理的复杂性四、空间数据管理的复杂性(模型复杂性模型复杂性、实现复杂性实现复杂性)五五、空间数据库与地理信息系统空间数据库与地理信息系统Back第3页,本讲稿共25页空间数据库的任务空间数据库的任务 数据库系统由一个互相关联的数据库系统由一个互相关联的数据集合数据集合和一组用以访问这些数据的和一组用以访问这些数据的程程序序组成组成。前者指数据库本身,后者称为数据库管理系统前者指数据库本身,后者称为数据库管理系
3、统DBMS。设计数据库是为了设计数据库是为了管理大量信息管理大量信息,数据管理问题涉及,数据管理问题涉及信息结构的定义、信息结构的定义、提供信息操作机制、维持信息正确状态、保障信息的安全、避免多个用户提供信息操作机制、维持信息正确状态、保障信息的安全、避免多个用户共享时的数据异常共享时的数据异常。数据库的数据库的三大任务三大任务:(1)建立建立数据模型数据模型,描述信息结构,使数据组织有序;,描述信息结构,使数据组织有序;(2)设计数据)设计数据存储方法存储方法,实现数据的三层独立;,实现数据的三层独立;(3)实现统一)实现统一管理和有效控制管理和有效控制,提供高效安全的访问与共享。,提供高效
4、安全的访问与共享。第4页,本讲稿共25页空间数据库的任务空间数据库的任务 多年来的多年来的GIS实践表明,大部分现有实践表明,大部分现有DBMS无法直接管理无法直接管理空间数据,或管理的空间数据难以使用,空间数据库空间数据,或管理的空间数据难以使用,空间数据库主要研主要研究存储、管理和检索空间数据的有效技术。究存储、管理和检索空间数据的有效技术。空间数据库是数据库概念、理论、技术的发展和创新,空间数据库是数据库概念、理论、技术的发展和创新,其任务是以数字形式表示各类空间的宏观和微观结构,建立其任务是以数字形式表示各类空间的宏观和微观结构,建立空间数据模型并转化为有效的的存储结构,以最小空间和时
5、空间数据模型并转化为有效的的存储结构,以最小空间和时间代价有效组织、存储、管理和控制各类空间数据,维护数间代价有效组织、存储、管理和控制各类空间数据,维护数据的现势性和正确状态,提供一定的访问机制,安全、高效、据的现势性和正确状态,提供一定的访问机制,安全、高效、准确的实现数据的共享。准确的实现数据的共享。Back第5页,本讲稿共25页地理空间的概念地理空间的概念 地地理理空空间间指指物物质质、能能量量、信信息息的的存存在在形形式式,在在形形态态、结结构构、过过程程、功功能能关系上的分布方式和格局,及其在时间上的延续。关系上的分布方式和格局,及其在时间上的延续。地地理理空空间间是是地地球球周周
6、围围的的一一个个区区域域,是是一一个个环环形形球球状状空空间间,按按层层次次划划分分为为岩岩石石层层、土土壤壤圈圈、水水圈圈、生生物物圈圈、大大气气层层和和电电离离层层。地地球球表表层层陆陆地地和和海海洋洋表表面附近的空间称为地球表层空间。面附近的空间称为地球表层空间。有两种认识与编码地理空间并提取空间信息的观点:有两种认识与编码地理空间并提取空间信息的观点:1、相相对对空空间间观观点点:相相对对空空间间是是具具有有属属性性特特征征的的空空间间实实体体的的集集合合,由由不不同空间实体之间的空间关系构成(陈述彭同空间实体之间的空间关系构成(陈述彭 1999)。)。2、绝绝对对空空间间观观点点:绝
7、绝对对空空间间是是具具有有属属性性描描述述的的空空间间位位置置集集合合,它它由由一一系列表示不同位置的坐标值组成(陈述彭系列表示不同位置的坐标值组成(陈述彭 1999)。)。Back第6页,本讲稿共25页地理空间的定位框架地理空间的定位框架 2、椭椭球球面面空空间间参参照照系系统统:将将地地球球抽抽象象为为接接近近地地球球形形状状的的旋旋转转椭椭球球,以以椭椭球球面面为为地地球球 表表 面面 几几 何何 模模 型型。任任 意意 点点 P的的 位位 置置 用用(B,L)+大地高大地高H表示。表示。3、平平面面参参照照系系统统:研研究究区区域域范范围围不不大大时时用用平平面面作作为为地地球球表表面
8、面的的局局部部几几何何模模型型,任任意点意点P的位置用的位置用(x,y)+海拔高海拔高h表示。表示。4、嵌嵌套套坐坐标标系系:如如交交通通网网络络中中的的线线性性参照系统。参照系统。Back道路网络道路网络Network定位基准点定位基准点Datum线性定位方法线性定位方法LRM公交路线公交路线路径路径移动对象移动对象Moving Object地理区域地理区域点点Point地理坐标系地理坐标系线线性性参参照照系系统统 线线Line面面Polygon事件点事件点Event 地球表层空间的定位参照基准是陆地表面和海洋表面,将地球表面简化为地球表层空间的定位参照基准是陆地表面和海洋表面,将地球表面简
9、化为不同的几何模型,建立不同的空间参照系统,确定各自的定位方法。不同的几何模型,建立不同的空间参照系统,确定各自的定位方法。主要定位方法主要定位方法:1、地心、地心3维空间参照系统:以地心为原点,相互垂直的维空间参照系统:以地心为原点,相互垂直的X,Y,Z为坐标轴为坐标轴的真的真3维空间直角坐标系统,任意点位表示成坐标矢量(维空间直角坐标系统,任意点位表示成坐标矢量(X,Y,Z)。)。图0-1 空间定位构架 第7页,本讲稿共25页地理空间的模型地理空间的模型 人类认识和解释地理空间的历史概括为三个阶段:人类认识和解释地理空间的历史概括为三个阶段:第一阶段:视觉模型:以空间几何定位为基础,依靠简
10、单量测的草绘纸第一阶段:视觉模型:以空间几何定位为基础,依靠简单量测的草绘纸质地图来认识、解释和分析自然环境。纸质地图是地理空间实体分布形式与质地图来认识、解释和分析自然环境。纸质地图是地理空间实体分布形式与空间关系的视觉图解表象,是认识自然与人文环境的重要工具和手段。空间关系的视觉图解表象,是认识自然与人文环境的重要工具和手段。第二阶段:符号模型第二阶段:符号模型:以数值方程为基础,在空间参照系统中用数学方:以数值方程为基础,在空间参照系统中用数学方法表示空间实体的位置和关系,用平面符号化地图对现实世界作全面地描述,法表示空间实体的位置和关系,用平面符号化地图对现实世界作全面地描述,精确数值
11、表示的纸质地图成为地理空间的形象精确数值表示的纸质地图成为地理空间的形象/符号符号/概括模型。概括模型。第三阶段:空间数据模型第三阶段:空间数据模型:从信息科学角度来认识、解释与分析客观世:从信息科学角度来认识、解释与分析客观世界界,空间数据模型是地理空间中空间实体集合的质量、数量、时间、空间特,空间数据模型是地理空间中空间实体集合的质量、数量、时间、空间特性的全面抽象和概括,是地理空间特征与结构的数字表现形式。性的全面抽象和概括,是地理空间特征与结构的数字表现形式。1、表达内容:用数据形式表示空间实体的关键特征。、表达内容:用数据形式表示空间实体的关键特征。2、存储模型:将空间数据组织成数学
12、空间中的、存储模型:将空间数据组织成数学空间中的2维、维、3维或多维动态空间维或多维动态空间 数据模型,由空间数据库统一存储、管理、操纵和控制。数据模型,由空间数据库统一存储、管理、操纵和控制。3、展现形式:以数字、视觉或触觉方式表现,以数学、数字、实物或其、展现形式:以数字、视觉或触觉方式表现,以数学、数字、实物或其他形式存在,以可视化、符号化地图模型展现。他形式存在,以可视化、符号化地图模型展现。Back第8页,本讲稿共25页空间数据的概念(空间现象)空间数据的概念(空间现象)现实世界中的事实、存在、事物、要素、实体、对象、环境、现实世界中的事实、存在、事物、要素、实体、对象、环境、映像等
13、统称为现象。映像等统称为现象。地理空间中占据一定的空间范围或位置,具有特定的几何地理空间中占据一定的空间范围或位置,具有特定的几何形状,具有完整地理含义的各种自然地物、人工建筑物和构筑形状,具有完整地理含义的各种自然地物、人工建筑物和构筑物、现象、区划、分布、实体、环境等统称为空间现象。物、现象、区划、分布、实体、环境等统称为空间现象。空间现象是具有时空特征的现象的统称。空间现象是具有时空特征的现象的统称。拓扑关系(相邻、关联、包含、相离、重叠)空间特征几何形状和空间位置空间关系方位关系、度量关系、定位关系时态特征(动态变化)属性特征标识、命名、数量和质量特征空间现象定性关系(分类、从属、组成
14、等)第9页,本讲稿共25页空间数据的概念(空间现象分类)空间数据的概念(空间现象分类)1、空间现象集合、空间现象集合 (1)连续分布的空间表面或空间场:不同位置属性取值是空间)连续分布的空间表面或空间场:不同位置属性取值是空间位置的连续函数,形态是一种分布表面或空间场,称为地面模型。位置的连续函数,形态是一种分布表面或空间场,称为地面模型。如:高程、温度等是一种表面。如:高程、温度等是一种表面。(2)空间的某种划分:呈分片连续分布的空间现象集合,每个)空间的某种划分:呈分片连续分布的空间现象集合,每个分片的属性相同,分片之间边界模糊(无固定形状),如:土地覆分片的属性相同,分片之间边界模糊(无
15、固定形状),如:土地覆盖物、土壤。或分片间边界清晰但边界容易变化,通常进行整体分盖物、土壤。或分片间边界清晰但边界容易变化,通常进行整体分析,注重整体分布特征的空间现象集合,如:土地使用情况、地面析,注重整体分布特征的空间现象集合,如:土地使用情况、地面覆盖、土地权属、气象区域等。覆盖、土地权属、气象区域等。(3)嵌入空间的网络:交通网络、输电线路、各种地上和下管)嵌入空间的网络:交通网络、输电线路、各种地上和下管网等,这类现象是一种嵌入地理空间的网络。网等,这类现象是一种嵌入地理空间的网络。2、独立空间现象、独立空间现象 具有清晰边界和固定形状(规则或不规则形状),空间上可区具有清晰边界和固
16、定形状(规则或不规则形状),空间上可区分,应用中作为单个对象进行研究的空间现象称为独立空间现象。分,应用中作为单个对象进行研究的空间现象称为独立空间现象。第10页,本讲稿共25页空间数据的概念(空间要素)空间数据的概念(空间要素)空间要素是空间现象经过人类大脑的认知和抽象,并结合应用目空间要素是空间现象经过人类大脑的认知和抽象,并结合应用目标提取其本质特征后,在概念世界中的信息表示形式。标提取其本质特征后,在概念世界中的信息表示形式。空间现象抽象空间特征时态特征属性特征空间属性时态属性主题属性地理实体(一般概念)或实体对象(面向对象)概念世界现实世界 空间要素是唯一命名的、可以相互区分的、具有
17、完整地理含义的抽象空间要素是唯一命名的、可以相互区分的、具有完整地理含义的抽象信息概念,它用信息概念,它用“空间实体空间实体”这个抽象概念,以数字形式来组织和存储这个抽象概念,以数字形式来组织和存储“空间现象空间现象”的信息结构,以的信息结构,以“符号地图符号地图”对所表达的内容进行可视化展现。对所表达的内容进行可视化展现。空间现象-表达内容空间实体-数字形式空间要素地图符号-展现形式第11页,本讲稿共25页空间数据的概念(空间数据)空间数据的概念(空间数据)描述空间要素的三类特征及其相互关系的一切有用知识称为描述空间要素的三类特征及其相互关系的一切有用知识称为空间信息。空间信息通过某种方式离
18、散化,转换为计算机能够存储空间信息。空间信息通过某种方式离散化,转换为计算机能够存储和处理的符号形式(数字、文字、图形、图像等)称为空间数据。和处理的符号形式(数字、文字、图形、图像等)称为空间数据。空间数据是空间信息的载体或符号化表示,遥感等图象空间数据是空间信息的载体或符号化表示,遥感等图象数据,普通地图和专题地图等图形数据,地理统计数据以及数据,普通地图和专题地图等图形数据,地理统计数据以及环境监测数据等均是空间数据的重要代表。环境监测数据等均是空间数据的重要代表。Back空间关系(拓扑数据结构+几何方法)空间数据主题属性(数字、字符、文字等)空间属性几何数据(坐标序列或坐标集合)空间行
19、为特征(几何方法)时态属性第12页,本讲稿共25页空间数据的特点空间数据的特点 1、空间性:最主要的特征,包括几何坐标和空间关系。、空间性:最主要的特征,包括几何坐标和空间关系。2、抽象性:根据应用需求对空间要素进行选择、抽象和表达。不同应用、抽象性:根据应用需求对空间要素进行选择、抽象和表达。不同应用有不同取舍、综合、抽象与简化。不同抽象具有不同语义和形状。有不同取舍、综合、抽象与简化。不同抽象具有不同语义和形状。3、多尺度与多态性:同一空间要素在不同观测尺度下的形态差异和多个、多尺度与多态性:同一空间要素在不同观测尺度下的形态差异和多个空间要素在空间上的部分共位现象空间要素在空间上的部分共
20、位现象。4、时序特征:表达动态变化和演变规律。、时序特征:表达动态变化和演变规律。5、非结构化:表达空间要素形状的坐标点数据是变长的。、非结构化:表达空间要素形状的坐标点数据是变长的。6、空间结构复杂:指空间要素组成的复杂性及空间关系的复杂性。、空间结构复杂:指空间要素组成的复杂性及空间关系的复杂性。7、地理分类编码特征:按照某一种标准(国家、行业、地方标准)分类,、地理分类编码特征:按照某一种标准(国家、行业、地方标准)分类,具有地理分类编码,同类空间要素具有相同的主题属性结构。具有地理分类编码,同类空间要素具有相同的主题属性结构。8、可视性:以形象化的图形符号模型来展示。、可视性:以形象化
21、的图形符号模型来展示。9、空间计算:维护、管理、处理、查询、分析和可视化需要空间计算。、空间计算:维护、管理、处理、查询、分析和可视化需要空间计算。10、多源性:多种来源的空间数据存在语义、内容、定位基准、比例尺、多源性:多种来源的空间数据存在语义、内容、定位基准、比例尺、精度、存储结构和格式等方面的差异。精度、存储结构和格式等方面的差异。11、海量数据特征:空间数据量巨大,有海量特征,需提高查询效率。、海量数据特征:空间数据量巨大,有海量特征,需提高查询效率。13、长事务特征:对空间属性的一次编辑操作是一个长事务。、长事务特征:对空间属性的一次编辑操作是一个长事务。14、分层与分块:图幅与图
22、层。、分层与分块:图幅与图层。Back第13页,本讲稿共25页空间数据模型的复杂性空间数据模型的复杂性 1、几何特征的表达:表达形状、复杂形状的构成、多尺度与多、几何特征的表达:表达形状、复杂形状的构成、多尺度与多态性、三维实体的二维表示、时空特征。态性、三维实体的二维表示、时空特征。2、空间关系表达:存储部分拓扑关系,表达度量与方位关系。、空间关系表达:存储部分拓扑关系,表达度量与方位关系。3、空间行为的表达:与几何数据相关的所有运算称为空间计算,、空间行为的表达:与几何数据相关的所有运算称为空间计算,表达空间要素的行为特征,空间数据模型应表达行为特征。表达空间要素的行为特征,空间数据模型应
23、表达行为特征。4、多源与无缝问题:空间数据库内部的数据无缝(物理缝隙)、多源与无缝问题:空间数据库内部的数据无缝(物理缝隙)与不同与不同GIS系统互操作时的数据无缝(逻辑缝隙)。前者指连续地理系统互操作时的数据无缝(逻辑缝隙)。前者指连续地理空间分离存储到不同的存储空间和存储单元(分幅、分层)。后者空间分离存储到不同的存储空间和存储单元(分幅、分层)。后者指逻辑上的连续信息不能以逻辑连续方式呈现,不能获取整体信息。指逻辑上的连续信息不能以逻辑连续方式呈现,不能获取整体信息。数据采集、存储、处理、多尺度和多源异构都可引起裂缝。数据采集、存储、处理、多尺度和多源异构都可引起裂缝。5、空间数据可视化
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