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空間資料庫指的是地理信息系統在計算機物理存儲介質上存儲的與應用相關的地理空間數據的總和,一般是以一系列特定結構的文件的形式組織在存儲介質之上的。空間資料庫的研究始於20 世紀 70年代的地圖製圖與遙感圖像處理領域,其目的是為了有效地利用衛星遙感資源迅速繪製出各種經濟專題地圖。由於傳統的關係資料庫在空間數據的表示、存儲、管理、檢索上存在許多缺陷,從而形成了空間資料庫這一資料庫研究領域。而傳統資料庫系統只針對簡單對象,無法有效的支持複雜對象(如圖形、圖像)。

1空間資料庫的特點

1、數據量龐大。
空間資料庫面向的是地理學及其相關對象,而在客觀世界中它們所涉及的往往都是地球表面信息、地質信息、大氣信息等及其複雜的現象和信息,所以描述這些信息的數據容量很大,容量通常達到 GB級。
2、具有高可訪問性 。
空間信息系統要求具有強大的信息檢索和分析能力, 這是建立在空間資料庫基礎上的,需要高效訪問大量數據。
3、空間數據模型複雜
空間資料庫存儲的不是單一性質的數據,而是涵蓋了幾乎所有與地理相關的數據類型,這些數據類型主要可以分為 3 類:
(1)屬性數據:與通用資料庫基本一致,主要用來描述地學現象的各種屬性,一般包括數字、文本、日期類型。
(2)圖形圖像數據:與通用資料庫不同,空間資料庫系統中大量的數據藉助於圖形圖像來描述。
(3)空間關係數據:存儲拓撲關係的數據,通常與圖形數據是合二為一的。
4、屬性數據和空間數據聯合管理。
5、空間實體的屬性數據和空間數據可隨時間而發生相應變化。
6、空間數據的數據項長度可變,包含一個或多個對象,需要嵌套記錄。
7、一種地物類型對應一個屬性數據表文件。多種地物類型共用一個屬性數據表文件。
8、具有空間多尺度性和時間多尺度性。
9、應用範圍廣泛。
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空間資料庫的設計

2空間資料庫的設計

資料庫因不同的應用要求會有各種各樣的組織形式。資料庫的設計就是根據不同的應用目的和用戶要求,在一個給定的應用環境中,確定最優的數據模型、處理模式、存貯結構、存取方法,建立能反映現實世界的地理實體間信息之間的聯繫,滿足用戶要求,又能被一定的DBMS接受,同時能實現系統目標並有效地存取、管理數據的資料庫。簡言之,資料庫設計就是把現實世界中一定範圍內存在著的應用數據抽象成一個資料庫的具體結構的過程。
空間資料庫的設計是指在現在資料庫管理系統的基礎上建立空間資料庫的整個過程。主要包括需求分析、結構設計、和數據層設計三部分。
1、需求分析
需求分析是整個空間資料庫設計與建立的基礎,主要進行以下工作:
1)調查用戶需求
了解用戶特點和要求,取得設計者與用戶對需求的一致看法。
2)需求數據的收集和分析
包括信息需求(信息內容、特徵、需要存儲的數據)、信息加工處理要求(如響應時間)、完整性與安全性要求等。
3)編製用戶需求說明書
包括需求分析的目標、任務、具體需求說明、系統功能與性能、運行環境等,是需求分析的最終成果。
需求分析是一項技術性很強的工作,應該由有經驗的專業技術人員完成,同時用戶的積极參与也是十分重要的。
在需求分析階段完成數據源的選擇和對各種數據集的評價
2、結構設計
指空間數據結構設計,結果是得到一個合理的空間數據模型,是空間資料庫設計的關鍵。空間數據模型越能反映現實世界,在此基礎上生成的應用系統就越能較好地滿足用戶對數據處理的要求。
空間資料庫設計的實質是將地理空間實體以一定的組織形式在資料庫系統中加以表達的過程,也就是地理信息系統中空間實體的模型化問題。主要過程是見圖2-7-1。
1)概念設計
概念設計是通過對錯綜複雜的現實世界的認識與抽象,最終形成空間資料庫系統及其應用系統所需的模型。
具體是對需求分析階段所收集的信息和數據進行分析、整理,確定地理實體、屬性及它們之間的聯繫,將各用戶的局部視圖合併成一個總的全局視圖,形成獨立於計算機的反映用戶觀點的概念模式。概念模式與具體的DBMS無關,結構穩定,能較好地反映用戶的信息需求。
表示概念模型最有力的工具是E-R模型,即實體-聯繫模型,包括實體、聯繫和屬性三個基本成分。用它來描述現實地理世界,不必考慮信息的存儲結構、存取路徑及存取效率等與計算機有關的問題,比一般的數據模型更接近於現實地理世界,具有直觀、自然、語義較豐富等特點,在地理資料庫設計中得到了廣泛應用。
2)邏輯設計
在概念設計的基礎上,按照不同的轉換規則將概念模型轉換為具體DBMS支持的數據模型的過程,即導出具體DBMS可處理的地理資料庫的邏輯結構(或外模式),包括確定數據項、記錄及記錄間的聯繫、安全性、完整性和一致性約束等。導出的邏輯結構是否與概念模式一致,能否滿足用戶要求,還要對其功能和性能進行評價,並予以優化。
從E—R模型向關係模型轉換的主要過程為:
①確定各實體的主關鍵字;
②確定並寫出實體內部屬性之間的數據關係表達式,即某一數據項決定另外的數據項;
③把經過消冗處理的數據關係表達式中的實體作為相應的主關鍵字
④根據②、③形成新的關係。
⑤完成轉換后,進行分析、評價和優化。
3)物理設計
物理設計是指有效地將空間資料庫的邏輯結構在物理存儲器上實現,確定數據在介質上的物理存儲結構,其結果是導出地理資料庫的存儲模式(內模式)。主要內容包括確定記錄存儲格式,選擇文件存儲結構,決定存取路徑,分配存儲空間。
物理設計的好壞將對地理資料庫的性能影響很大,一個好的物理存儲結構必須滿足兩個條件:一是地理數據佔有較小的存儲空間;二是對資料庫的操作具有儘可能高的處理速度。在完成物理設計后,要進行性能分析和測試。
數據的物理表示分兩類:數值數據和字元數據。數值數據可用十進位或二進位形式表示。通常二進位形式所佔用的存貯空間較少。字元數據可以用字元串的方式表示,有時也可利用代碼值的存貯代替字元串的存儲。為了節約存貯空間,常常採用數據壓縮技術。
物理設計在很大程度上與選用的資料庫管理系統有關。設計中應根據需要,選用系統所提供的功能。
4)數據層設計
大多數GIS都將數據按邏輯類型分成不同的數據層進行組織。數據層是GIS中的一個重要概念。GIS的數據可以按照空間數據的邏輯關係或專業屬性分為各種邏輯數據層或專業數據層,原理上類似於圖片的疊置。例如,地形圖數據可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民地等諸層分別存貯。將各層疊加起來就合成了地形圖的數據。在進行空間分析、數據處理、圖形顯示時,往往只需要若干相應圖層的數據。
數據層的設計一般是按照數據的專業內容和類型進行的。數據的專業內容的類型通常是數據分層的主要依據,同時也要考慮數據之間的關係。如需考慮兩類物體共享邊界(道路與行政邊界重合、河流與地塊邊界的重合)等,這些數據間的關係在數據分層設計時應體現出來。
不同類型的數據由於其應用功能相同,在分析和應用時往往會同時用到,因此在設計時應反映出這樣的需求,即可將這些數據作為一層。例如,多邊形的湖泊、水庫,線狀的河流、溝渠,點狀的井、泉等,在GIS的運用中往往同時用到,因此,可作為一個數據層。
5)數據字典設計
數據字典用於描述資料庫的整體結構、數據內容和定義等。   數據字典的內容包括:   1)資料庫的總體組織結構、 資料庫總體設計的框架 。  2)各數據層詳細內容的定義及結構、 數據命名的定義 。  3)元數據(有關數據的數據,是對一個數據集的內容、質量條件及操作過程等的描述) 。
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