第七講 空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

1、第七講 空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),主要內(nèi)容,1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計 2 空間數(shù)據(jù)庫及特點 3 海量空間數(shù)據(jù)組織與管理,,1. 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計,1.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的三個步驟1.2 ER模型 1.3 用象形圖擴展ER模型,,1. 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的三個步驟,第一步：采用高層次的概念數(shù)據(jù)模型（conceptual data model）來組織所有與應(yīng)用相關(guān)的可用信息。 在概念層上，重點關(guān)注應(yīng)用的數(shù)據(jù)類型及其聯(lián)系和約束。 設(shè)

2、計過程的這個階段不考慮具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。 概念模型通常用淺濕文字，結(jié)合簡單一致的圖形符號(實體-聯(lián)系模型，entity relationship, ER)來表示。,第二步，也稱為邏輯建模階段，與概念數(shù)據(jù)模型在商用DBMS上的具體實現(xiàn)有關(guān)。商用DBMS中的數(shù)據(jù)由實現(xiàn)模型來組織。實現(xiàn)模型的例子有：層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。 第三步：是物理設(shè)計的建模，它解決數(shù)據(jù)庫應(yīng)用在計算機中具體實現(xiàn)時方方面面細(xì)節(jié)。,,1.2 ER模型,ER模型是最為

3、流行的建模工具之一。實體和屬性實體是物理上或者概念上獨立存在的事物或?qū)ο蟆?實體由屬性來刻畫性質(zhì)，屬性可以是單值或多值的。 聯(lián)系一對一（1∶1）在一對一的聯(lián)系中，一個實體中每個實例只能與其他參與實體的一個實例相聯(lián)系。 例如，實體MANAGER和FOREST之間的聯(lián)系manages就是一個一對一的聯(lián)系。,多對一（M∶1）多對一聯(lián)系可將一個實體的多個實例與另一個參與該聯(lián)系的實體的一個實例相連接。 Belongs_to是實

4、體FACILITY與FOREST之間的一個多對一聯(lián)系，這里假定每個設(shè)施僅僅屬于一個森林，但每個森林可以有多個設(shè)施。 多對多（M∶N）一個實體的多個實例會與另一個參與該聯(lián)系的實體的多個實例相聯(lián)系。 實體RIVER和FACILITY之間的聯(lián)系supplies_water_to正是這樣的一個聯(lián)系。,ER圖,,,1.3 用象形圖擴展ER模型,實體象形圖 （1）象形圖 象形圖是一種將對象插在方框內(nèi)的微縮圖表示，這些微縮圖用來擴展ER圖

5、，并插到實體矩形框中的適當(dāng)位置。 （2）形狀 形狀是象形圖中的基本圖形元素，它代表著空間數(shù)據(jù)模型中的元素。 一個模型元素可以是基本形狀、復(fù)合形狀、導(dǎo)出形狀或備選形狀。 （3）基本形狀,,,●,,/,,〗,基本形狀的語法,●,點,/,線,〗,面,基本形狀的象形圖,（4）復(fù)合形狀 為了處理那些不能用某個基本形狀表示的對象，我們定義了一組聚合的形狀，并用基數(shù)來量化這些復(fù)合形狀。 （5）導(dǎo)出形狀 如果一個對象的形狀是由其

6、他對象的形狀導(dǎo)出的，那么就用斜體形式來表示這個象形圖。,,,（6）備選形狀備選形狀可以用于表示某種條件下的同一個對象。 例如，根據(jù)比例尺，一條河流可以表示成一個多邊形或一條線。 備選形狀的語法 ● 〗 ● 〗  

7、 備選形狀的象形圖 （7）任意形狀對于形狀的組合，我們用通配符（*）表示，它表示各種形狀。 例如，一個灌溉網(wǎng)是由泵站（點）、水渠（線）以及水庫（多邊形）所組成的。,,,,,,,（8）用戶自定義形狀 除了點、線和多邊形這些基本形狀外，用戶還可以定義自己的形狀。 例如，為了表達更多的信息，用戶可能更愿意使用感嘆號之類的象形圖來表示灌溉網(wǎng)。 聯(lián)系象形圖聯(lián)系象形圖用來構(gòu)建實體間聯(lián)系的模型。 例如，part-of用于構(gòu)建道

8、路與路網(wǎng)之間聯(lián)系的模型，或是用于把森林劃分成林分的建模。 Part_of（網(wǎng)絡(luò)） Part_of（分區(qū)） 聯(lián)系的象形圖,帶象形符號的ER圖,,,,2 空間數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫就是為一定目的服務(wù)，以特定的數(shù)據(jù)存儲的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合，它是數(shù)據(jù)管理的高級階段，是從文件管理系統(tǒng)發(fā)展而來的。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫（簡稱空間數(shù)據(jù)庫或地理數(shù)據(jù)庫）是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合。,空間數(shù)據(jù)庫

9、特點,空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比，具有以下特點：1）數(shù)據(jù)量特別大，地理系統(tǒng)是一個復(fù)雜的綜合體，要用數(shù)據(jù)來描述各種地理要素，尤其是要素的空間位置，其數(shù)據(jù)量往往很大。2）不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù)（與一般數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)性質(zhì)相似），還有大量的空間數(shù)據(jù)，即描述地理要素空間分布位置的數(shù)據(jù)，并且這兩種數(shù)據(jù)之間具有不可分割的聯(lián)系。3）數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，例如地理研究、環(huán)境保護、土地利用與規(guī)劃、資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境、市政管理、道路建設(shè)等。,3.海量空間數(shù)據(jù)

10、組織與管理,目前，象域市規(guī)劃，地下管網(wǎng)、土地管理、公安警用這樣一些GIS應(yīng)用系統(tǒng)，由于其比例尺較大，所以多數(shù)都是以圖幅為單位進行管理，即按圖幅將大區(qū)域空間數(shù)據(jù)進行分割，現(xiàn)在世界各國的一般方法是采用經(jīng)緯線分幅或采用規(guī)則矩形分幅，如示圖1所示。 3.1 數(shù)據(jù)庫中圖幅的組織方法 3.2 圖幅間被分割目標(biāo)的組織方法 3.3 跨圖幅地圖漫游,,,圖幅之間鄰近關(guān)系示意圖 (a) 經(jīng)緯線分幅

11、 (b) 矩形分幅,,,,3.1 數(shù)據(jù)庫中圖幅的組織方法,數(shù)據(jù)庫中圖幅的組織方法： 1. 為空間的組織形式進行定義：坐標(biāo)單位、經(jīng)度和緯度跨度（用經(jīng)緯線分幅時），比例尺、圖幅的寬和高（用矩形分幅時），地圖投影類型、橢球體參數(shù)等。 2. 逐一數(shù)字化輸入并編輯各圖幅，然后將這些圖幅輸入庫中、輸入時須指定圖幅的文件名、圖幅在庫中的位置等。,,3.2 圖幅間被分割目標(biāo)的組織方法,3.2.1 整個空間目標(biāo)統(tǒng)一組織和管理方式 3.2.2 只建立

12、和組織被分割目標(biāo)方式,,3.2.1 整個空間目標(biāo)統(tǒng)一組織和管理方式,這種組織方式是建一個全庫索引表，將整個空間的所有目標(biāo)及其分屬的圖幅號均放入索引表中。,,,,3.2.2 只建立和組織被分割目標(biāo)方式,這種方式是只將被分割的目標(biāo)放在索引表中，顯然，此索引表要比上述的全庫索引表要小得多。 在建庫和圖幅入庫時，索引表是空的。當(dāng)進行圖幅拼接時，每拼接一個目標(biāo)，就將該目標(biāo)的信息（包括該目標(biāo)分別在兩個圖幅中的編號）插入索引表中的適當(dāng)位置 。在檢

13、索目標(biāo)時，可根據(jù)所要檢索的圖幅號來查詢索引表，從中找出符合要求的完整的目標(biāo)對象。對索引表中沒有的目標(biāo)，可直接查詢該圖幅中的目標(biāo)信息即可。,,3.3 跨圖幅地圖漫游,3.3.1 地理邏輯窗口和動態(tài)裁剪 3.3.2 縮放漫游的實現(xiàn),3.3.1 地理邏輯窗口和動態(tài)裁剪,1．地理邏輯窗口如果只是簡單地用屏幕窗口對繪圖要素進行區(qū)域裁剪，或是用開窗的方法裁剪原圖要放縮的一部分后存儲起來再進行輸出，系統(tǒng)運行效率將會變得很低。所以，用地理邏輯窗口進

14、行動態(tài)開窗裁剪的方法，可以實現(xiàn)對海量地圖進行快速地全圖縮放漫游。所謂地理邏輯窗口是指由Windows的坐標(biāo)空間一次所能直接表達的相對應(yīng)的地理空間的范圍，此范圍是整個所要處理的地理空間的一部分。 通過這種建立地理邏輯窗口與地理空間映射的方法，我們可以方便地瀏覽全部要處理的地理空間，從而在系統(tǒng)中十分容易地實現(xiàn)跨圖幅地圖的縮放與漫游。,,2．顯示窗口的動態(tài)裁剪 在進行地圖的輸出顯示時，為了提高輸出的速度，可采用動態(tài)裁剪的方法，即當(dāng)

15、繪圖要素在設(shè)備上顯示輸出時才進行裁剪，而這一裁剪區(qū)域與通常裁剪方法采用的區(qū)域不同，此處的裁剪區(qū)域是指地理邏輯窗口，即只有當(dāng)繪圖要素與地理邏輯窗口的邊界相交時才進行裁剪，由于地理邏輯窗口一般比輸出設(shè)備的窗口要大得多，在設(shè)計實現(xiàn)時，如果始終將輸出設(shè)備的窗口居于地理邏輯窗口的中部，則要顯示的繪圖要素與地理邏輯窗口的邊界相交的機率大大縮小，時繪圖要素的裁剪次銳減從而有效地提高了圖形輸出的速度與效率。 為了提高系統(tǒng)的繪圖速度和運行效率，避

16、免不必要的裁剪過程，首先需要判斷繪制要素的范圍是否落在設(shè)備所在的區(qū)域內(nèi)。如果不在設(shè)備繪制區(qū)域內(nèi)則不需要進行裁剪，否則再進行地理邏輯窗口的裁剪過程。,3.3.2 縮放漫游的實現(xiàn),1．縮放與動畫顯示的實現(xiàn)在建立了以映射關(guān)系和地理邏輯窗口后，即可以很容易地實現(xiàn)對地圖的無級放縮漫游。通過不斷地改變式（6-3-1）和式（6-3-2）中的顯示地圖比例，顯示地圖的大小會隨之不斷地改變，從而達到了縮放的目的。因為在顯示輸出時經(jīng)過上述的地理邏輯縮放窗口

17、的動態(tài)裁剪，輸出的圖形就不會出現(xiàn)由GDI函數(shù)坐標(biāo)取值的限制所帶來的繪圖失敗的問題。因此，地圖可以在計算機所表達的數(shù)值范圍內(nèi)不加限制地進行放縮。在進行放所縮時，要對整個的輸出窗口進行重繪，如果繪圖要素較多，有時需要等待較長的時間，這會超過用戶的心理忍受度，為了更進一步的增強界面的友好性，在進行重繪的過程中每隔一定時間將整個輸出窗口拷屏一次，即出現(xiàn)了所謂的動畫顯示效果，從而也增強了系統(tǒng)顯示的趣味性。,,2．漫游的實現(xiàn)在建立上述的坐標(biāo)空間

18、映射關(guān)系時，應(yīng)首先建立在地理坐標(biāo)系統(tǒng)中所設(shè)立的地理原點同Windows的邏輯原點或設(shè)備原點相對應(yīng)的關(guān)系。如圖6-3-1所示，整個地理空間被劃分為N個地理邏輯窗口，滾動前地理坐標(biāo)原點位于第1個地理邏輯窗口的左上角，當(dāng)屏幕窗口在原地圖的第1個地理邏輯窗口范圍內(nèi)漫游時，不移動地理原點只移動設(shè)備坐標(biāo)原點，而當(dāng)屏幕窗口到達第1個地理邏輯窗口的邊界時，此時將地理原點跳轉(zhuǎn)到第2個邏輯窗口的左上角處，并將Windows的設(shè)備原點移到邏輯坐標(biāo)空間范圍的左

19、上角處。,,地理邏輯窗口 1 2 3 … … 邏輯坐標(biāo)空間 地理坐標(biāo)空間 顯示輸