第七讲空间数据库系统.ppt
第七讲 空间数据库系统,主要内容,1 数据库的设计 2 空间数据库及特点 3 海量空间数据组织与管理,1. 数据库的设计,1.1 数据库设计的三个步骤 1.2 ER模型 1.3 用象形图扩展ER模型,1. 数据库设计的三个步骤,第一步：采用高层次的概念数据模型（conceptual data model）来组织所有与应用相关的可用信息。 在概念层上，重点关注应用的数据类型及其联系和约束。 设计过程的这个阶段不考虑具体实现细节。 概念模型通常用浅湿文字，结合简单一致的图形符号(实体-联系模型，entity relationship, ER)来表示。,第二步，也称为逻辑建模阶段，与概念数据模型在商用DBMS上的具体实现有关。 商用DBMS中的数据由实现模型来组织。实现模型的例子有：层次模型、网状模型和关系模型。 第三步：是物理设计的建模，它解决数据库应用在计算机中具体实现时方方面面细节。,1.2 ER模型,ER模型是最为流行的建模工具之一。 实体和属性 实体是物理上或者概念上独立存在的事物或对象。 实体由属性来刻画性质，属性可以是单值或多值的。 联系 一对一（11） 在一对一的联系中，一个实体中每个实例只能与其他参与实体的一个实例相联系。 例如，实体MANAGER和FOREST之间的联系manages就是一个一对一的联系。,多对一（M1） 多对一联系可将一个实体的多个实例与另一个参与该联系的实体的一个实例相连接。 Belongs_to是实体FACILITY与FOREST之间的一个多对一联系，这里假定每个设施仅仅属于一个森林，但每个森林可以有多个设施。 多对多（MN） 一个实体的多个实例会与另一个参与该联系的实体的多个实例相联系。 实体RIVER和FACILITY之间的联系supplies_water_to正是这样的一个联系。,ER图,1.3 用象形图扩展ER模型,实体象形图 （1）象形图 象形图是一种将对象插在方框内的微缩图表示，这些微缩图用来扩展ER图，并插到实体矩形框中的适当位置。 （2）形状 形状是象形图中的基本图形元素，它代表着空间数据模型中的元素。 一个模型元素可以是基本形状、复合形状、导出形状或备选形状。 （3）基本形状,/,基本形状的语法,点,/,线,面,基本形状的象形图,（4）复合形状 为了处理那些不能用某个基本形状表示的对象，我们定义了一组聚合的形状，并用基数来量化这些复合形状。 （5）导出形状 如果一个对象的形状是由其他对象的形状导出的，那么就用斜体形式来表示这个象形图。,（6）备选形状 备选形状可以用于表示某种条件下的同一个对象。 例如，根据比例尺，一条河流可以表示成一个多边形或一条线。 备选形状的语法 备选形状的象形图 （7）任意形状 对于形状的组合，我们用通配符（*）表示，它表示各种形状。 例如，一个灌溉网是由泵站（点）、水渠（线）以及水库（多边形）所组成的。,（8）用户自定义形状 除了点、线和多边形这些基本形状外，用户还可以定义自己的形状。 例如，为了表达更多的信息，用户可能更愿意使用感叹号之类的象形图来表示灌溉网。 联系象形图 联系象形图用来构建实体间联系的模型。 例如，part-of用于构建道路与路网之间联系的模型，或是用于把森林划分成林分的建模。 Part_of（网络） Part_of（分区） 联系的象形图,带象形符号的ER图,2 空间数据库,数据库就是为一定目的服务，以特定的数据存储的相关联的数据集合，它是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库）是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合。,空间数据库特点,空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： 1）数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往很大。 2）不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。 3）数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。,3.海量空间数据组织与管理,目前，象域市规划，地下管网、土地管理、公安警用这样一些GIS应用系统，由于其比例尺较大，所以多数都是以图幅为单位进行管理，即按图幅将大区域空间数据进行分割，现在世界各国的一般方法是采用经纬线分幅或采用规则矩形分幅，如示图1所示。 3.1 数据库中图幅的组织方法 3.2 图幅间被分割目标的组织方法 3.3 跨图幅地图漫游,图幅之间邻近关系示意图 (a) 经纬线分幅 (b) 矩形分幅,3.1 数据库中图幅的组织方法,数据库中图幅的组织方法： 1. 为空间的组织形式进行定义：坐标单位、经度和纬度跨度（用经纬线分幅时），比例尺、图幅的宽和高（用矩形分幅时），地图投影类型、椭球体参数等。 2. 逐一数字化输入并编辑各图幅，然后将这些图幅输入库中、输入时须指定图幅的文件名、图幅在库中的位置等。,3.2 图幅间被分割目标的组织方法,3.2.1 整个空间目标统一组织和管理方式 3.2.2 只建立和组织被分割目标方式,3.2.1 整个空间目标统一组织和管理方式,这种组织方式是建一个全库索引表，将整个空间的所有目标及其分属的图幅号均放入索引表中。,3.2.2 只建立和组织被分割目标方式,这种方式是只将被分割的目标放在索引表中，显然，此索引表要比上述的全库索引表要小得多。 在建库和图幅入库时，索引表是空的。当进行图幅拼接时，每拼接一个目标，就将该目标的信息（包括该目标分别在两个图幅中的编号）插入索引表中的适当位置 。 在检索目标时，可根据所要检索的图幅号来查询索引表，从中找出符合要求的完整的目标对象。对索引表中没有的目标，可直接查询该图幅中的目标信息即可。,3.3 跨图幅地图漫游,3.3.1 地理逻辑窗口和动态裁剪 3.3.2 缩放漫游的实现,3.3.1 地理逻辑窗口和动态裁剪,1地理逻辑窗口 如果只是简单地用屏幕窗口对绘图要素进行区域裁剪，或是用开窗的方法裁剪原图要放缩的一部分后存储起来再进行输出，系统运行效率将会变得很低。所以，用地理逻辑窗口进行动态开窗裁剪的方法，可以实现对海量地图进行快速地全图缩放漫游。 所谓地理逻辑窗口是指由Windows的坐标空间一次所能直接表达的相对应的地理空间的范围，此范围是整个所要处理的地理空间的一部分。 通过这种建立地理逻辑窗口与地理空间映射的方法，我们可以方便地浏览全部要处理的地理空间，从而在系统中十分容易地实现跨图幅地图的缩放与漫游。,2显示窗口的动态裁剪 在进行地图的输出显示时，为了提高输出的速度，可采用动态裁剪的方法，即当绘图要素在设备上显示输出时才进行裁剪，而这一裁剪区域与通常裁剪方法采用的区域不同，此处的裁剪区域是指地理逻辑窗口，即只有当绘图要素与地理逻辑窗口的边界相交时才进行裁剪，由于地理逻辑窗口一般比输出设备的窗口要大得多，在设计实现时，如果始终将输出设备的窗口居于地理逻辑窗口的中部，则要显示的绘图要素与地理逻辑窗口的边界相交的机率大大缩小，时绘图要素的裁剪次锐减从而有效地提高了图形输出的速度与效率。 为了提高系统的绘图速度和运行效率，避免不必要的裁剪过程，首先需要判断绘制要素的范围是否落在设备所在的区域内。如果不在设备绘制区域内则不需要进行裁剪，否则再进行地理逻辑窗口的裁剪过程。,3.3.2 缩放漫游的实现,1缩放与动画显示的实现 在建立了以映射关系和地理逻辑窗口后，即可以很容易地实现对地图的无级放缩漫游。通过不断地改变式（6-3-1）和式（6-3-2）中的显示地图比例，显示地图的大小会随之不断地改变，从而达到了缩放的目的。因为在显示输出时经过上述的地理逻辑缩放窗口的动态裁剪，输出的图形就不会出现由GDI函数坐标取值的限制所带来的绘图失败的问题。因此，地图可以在计算机所表达的数值范围内不加限制地进行放缩。 在进行放所缩时，要对整个的输出窗口进行重绘，如果绘图要素较多，有时需要等待较长的时间，这会超过用户的心理忍受度，为了更进一步的增强界面的友好性，在进行重绘的过程中每隔一定时间将整个输出窗口拷屏一次，即出现了所谓的动画显示效果，从而也增强了系统显示的趣味性。,2漫游的实现 在建立上述的坐标空间映射关系时，应首先建立在地理坐标系统中所设立的地理原点同Windows的逻辑原点或设备原点相对应的关系。如图6-3-1所示，整个地理空间被划分为N个地理逻辑窗口，滚动前地理坐标原点位于第1个地理逻辑窗口的左上角，当屏幕窗口在原地图的第1个地理逻辑窗口范围内漫游时，不移动地理原点只移动设备坐标原点，而当屏幕窗口到达第1个地理逻辑窗口的边界时，此时将地理原点跳转到第2个逻辑窗口的左上角处，并将Windows的设备原点移到逻辑坐标空间范围的左上角处。,地理逻辑窗口 1 2 3 逻辑坐标空间 地理坐标空间 显示输出窗口 图 漫游滚动示意图,
