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空间数据库的发展与应用

时间：2013-02-26 18:28:31 下载该word文档

空间数据库结课报告

—空间数据库的发展与应用

学号：

班级序号：

专业：

姓名：

指导老师：

中国地质大学（武汉）信息工程学院

2013年1月

一、前言 3

二、空间数据库的简介及特征 3

2.1空间数据库简介……………………………………………………...………………3

2.2空间数据库的特征……………………...……………………………..…….……….3

2.2.1空间数据库的完备性...…………………………………….……………….……3

2.2.2空间查询的执行效率…………………………………………………….………3

2.2.3空间数据的物理特征………………………………………………..…………...4

三、空间数据库管理系统模式 4

四、空间数据库的应用模式 4

4.1文件与关系数据库混合管理系统………………………………………...…………4

4.2全关系型空间数据库管理系统………………………………………...……………5

4.3对象—关系数据库管理系统……………………………..……………….…………6

4.4面向对象空间数据库管理系统…………………………………………...…………6

4.5面向对象的矢栅一体化空间数据库管理系统………………………………...……6

五、空间数据库的实际应用 .7

5.1空间数据库实际应用的必要性………………………………………………...……7

5.2空间数据库的具体应用……………………………………………………...………7

5.2.1实例1—石油地质空间数据库……………………………………..……………7

5.2.2实例2—城市规划图……………………………………………………..………9

六、结束语.………………………………………………………………………..………10

参考文献………………………………………………….…………..……………....11

空间数据库的发展与应用

XXX

（中国地质大学（武汉）信息工程学院湖北武汉 430074）

摘要：在GIS的基础上，鉴于实际需求下，空间数据库应运而生，本文从空间数据库的简单介绍开始，主要概述了空间数据库的发展、特征、应用类型及其在发展中的一些实际应用。在通过对文献的阅读它的实际作用和空间数据库管理系统模式的概述，对空间数据库从三方面有了进一步的了解，最后列出空间数据库在实际应用中的具体案例。

关键词：空间数据库；GIS；特征；模式；类型；应用。

一、前言

地理信息系统( Geographic Informa

tion System ,GIS)融合了信息学、地理学、测绘学、城市科学等一系列科学技术,是一门典型的边缘学科。经过40余年的发展,GIS 经历了从最早期简单的机助制图,到现在与卫星遥感技术相结合的过程,已经发展成为一项非常成熟的应用技术,活跃于生产和生活的各个部门。但是,GIS 的广泛应用和深入发展, 也给 GIS 数据库带来了数据量激增的问题，而且传统GIS中空间数据与属性数据是分别存储的,即空间数据(图形数据)以文件格式存放,非空间数据(属性数据)则存放在关系数据库中,形成文件 + 关系数据库的二元存储模式。这样的存储方式在数据安全和数据共享方面都存在着不少缺陷。基于这种情况,GIS自身的数据存储能力显然已经不能完全满足实际需求,需要借助功能更加强大的外部数据库来存储和处理海量数据。空间数据库正是在这一背景下应运而生, 并应用到了 GIS中。

二、空间数据库的简介及特征。

2.1 空间数据库简介

空间信息是指与位置（特别是地理位置）有关的信息，它在信息中占有相当大的比例（曾有统计可达 80%）然而，空间信息又有其特殊的一面，它具有诸如数据量巨大、结构复杂多样操作是计算密集型的具有自相关性等特性随着IT技术的迅速发展，以GIS为代表的空间信息技术在各领域得到了应用，同时遥感等空间信息获取技术不断进步，现代社会对位置服务和分析决策的需要也日益迫切，因此深入研究和掌握空间信息技术的理论与方法的重要性也日益凸显出来空间数据库是近年的热点研究领域，是一门前沿的交叉学科其研究成果（如空间多维索引）开始应用于许多不同领域正是已有应用的需求推动了空间数据库管理系统的研究，这些应用包括地理信息系统（geographical information system ,GIS）和计算机辅助设计（computer-aided design ,CAD），以及诸如多媒体信息系统数据仓库等近年来，许多计算机应用领域通过扩充数据库管理系统的功能来支持与空间相关的数据空间数据库管理系统（spatial database management system ,SDBMS）研究是找到有效处理空间数据的模型和算法的重要步骤。

2.2 空间数据库的特征

2.2.1 空间数据的完整性

所谓完整性，就是数据的正确性和一致性，在关系型数据库中，有实体完整性参照完整性用户自定义完整性；在空间数据库中，语义层面的空间数据的正确性和一致性，就很难界定，它要比关系型属性数据复杂得多。打个比方一条道路横跨一条河流，必然经过一座桥，而如果不经过，就必然违背了空间数据的正确性，也就是说不完整这只是一个很简单的例子，类似于这样的空间语义关系，是需要空间数据库提供用户自定义完整性约束，保证空间数据的完整性。

2.2.2 空间查询的执行效率

一个带有空间和属性的混合查询，是先进行空间查询，再进行属性查询，还是反过来，先进行属性查询，再进行空间查询，还是多个步骤交错进行，这是一个值得思考的问题。

2.2.3 空间数据的物理存储

物理存储，关系到空间数据添加删除修改的性能。而目前，空间数据是以二进制对象或字符等形式，交给关系型数据库来管理的，屏蔽了物理层的存储细节，粒度较大；同时，空间聚簇与数据更新存在矛盾，如果这些问题交给关系型数据库来处理，还很难得到较好的解决，需要单独针对空间数据实现物理存储的管理空间数据存储在数据库里，实现数据共享；空间数据挖掘也是提高空间数据库智能化水平的手段。

三、空间数据库管理系统模式

空间数据库是一类特殊且重要的数据库,在其内部存储了大量与空间有关的数据,如地图、遥感数据等。更重要的一点是,空间数据库具备将空间数据与属性数据无缝链接和一体化存储管理的能力。由于空间数据带有空间拓扑结构和位置关系,并且相互之间存在数据依赖问题,所以较之关系型数据库和事务型数据库,空间数据库在数据存储机制、数据组织结构和数据访问方式等方面有诸多不同之处,且要复杂得多。对空间数据库的访问通常需要采取空间推理、空间知识表示等技术来实现。GIS是空间数据库发展的主体。采用空间数据库技术存储数据,是当前GIS应用和发展的要求。怎样有效地存储、管理和挖掘海量数据,已经成为 GIS所面临的最紧迫的问题之一。如果没有外部数据库的支持,仅凭GIS自身的存储能力,很难从根本上解决这一问题。而空间数据库的应用使海量的空间数据和属性数据实现了一体化存储,并使更广泛的空间数据共享成为可能。此外,空间数据库也是空间数据挖掘的基础。空间数据挖掘是指对空间数据库中非显式存在的知识、空间关系或其它有意义的模式等的提取,是数据挖掘技术在空间领域的一个分支。空间数据库存储的海量数据是空间数据挖掘的必要前提。在空间数据库上进行数据挖掘,能够找出大量隐含的、对管理和研究工作有指导意义的知识,是对空间数据库中数据的深层应用。在某些对数据要求比较高的情况下,还可以按照一定主题,对空间数据库中的数据进行抽取、转换和清洗,形成更高层次的空间数据仓库,更好地支持空间数据挖掘和与空间数据有关的决策过程。

四、空间数据库的应用模式

由于空间数据的复杂性和特殊性, 一般的商用数据库管理系统难以满足要求。因而, 围绕空间数据管理方法, 出现了几种不同的模式。

4.1 文件与关系数据库混合管理系统

由于空间数据具有以上几个特征,市场上通用的关系数据库管理系统难以满足要求。因而大部分GIS软件采用混合管理的模式。即用文件系统管理几何图形数据,用商用关系数据库管理系统管理属性数据,它们之间的联系通过目标标识或者内部连。

在这种管理模式中,几何图形数据与属性数据除它们的oid作为连接关键字段以外, 两者几乎是独立地组织、管理与检索。就几何图形而言, 由于GIS系统采用高级语言编程,可以直接操纵数据文件,所以图形用户界面与图形文件处理是一体的,中间没有裂缝。但对属性数据来说,则因系统和历史发展而异。早期系统由于属性数据必须通过关系数据库管理系统,图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的,它们只是通过一个内部码连接,如图2所示，导致这种连接方式的主要原因是早期的数据库管理系统不提供编程的高级语言如Fortran 或C的接口,只能采用数据库操纵语言。这样通常要同时启动两个系统(GIS 图形系统和关系数据库管理系统),甚至两个系统来回切换, 使用起来很不方便。

最近几年,随着数据库技术的发展, 越来越多的数据库管理系统提供高级编程语言C 和 Fortran等接口,使得地理信息系统可以在C语言的环境下,直接操纵属性数据, 并通过C语言的对话框和列表框显示属性数据, 或通过对话框输入SQL语句,并将该语句通过C语言与数据库的接口查询属性数据库, 并在GIS的用户界面下,显示查询结果。这种工作模式,并不需要启动一个完整的数据库管理系统,用户甚至不知道何时调用了关系数据库管理系统,图形数据和属性数据的查询与维护完全在一个界面之下。在ODBC(开放性数据库连接协议)推出之前,每个数据库厂商提供一套自己的与高级语言的接口程序,这样 GIS 软件商就要针对每个数据库开发一套GIS的接口程序,所以往往在数据库的使用上受到限制。在推出了ODBC 之后,GIS 软件商只要开发GIS与ODBC的接口软件,就可以将属性数据与任何一个支持ODBC协议的关系数据库管理系统连接。无论是通过C还是通过ODBC与关系数据库连接,GIS用户都是在一个界面下处理图形和属性数据,它比前面分开的界面要方便得多。这种模式称为混合处理模式, 如图3 所示。

采用文件与关系数据库管理系统的混合管理模式,还不能说建立了真正意义上的空间数据库管理系统,因为文件管理系统的功能较弱, 特别是在数据的安全性、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本的功能。多用户操作的并发控制比起商用数据库管理系统来要逊色得多,因而GIS 软件商一直在寻找采用商用数据库管理系统来同时管理图形和属性数据。

4.2 全关系型空间数据库管理系统

全关系型空间数据库管理系统是指图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理。关系数据库管理系统的软件厂商不作任何扩展,由GIS 软件商在此基础上进行开发,使之不仅能管理结构化的属性数据, 而且能管理非结构化的图形数据。用关系数据库管理系统管理图形数据有两种模式, 一种是基于关系模型的方式,图形数据按照关系数据模型组织。这种组织方式由于涉及一系列关系连接运算,相当费时,例如为了显示一个多边形,需要找出组成多边形的采样点坐标。它要涉及到4个关系表,作多次连接投影运算,这一查询的语句如下：

Select　X, Y

From　　P, E,N , C

Where P·P# = E·P# and E·E# = N ·E

# and (N·BN = C·N # and N·EN = C·N # )

对于这样简单的实例,需要作如此复杂的关系连接运算,非常费时。由此可见,关系模型在处理空间目标方面效率不高。用关系数据库管理系统管理图形数据的另一种方式是将图形数据的变长部分处理成Binary 二进制块Block 字段。目前大部分关系数据库管理系统都提供了二进制块的字段域, 以适应管理多媒体数据或可变长文本字符。 GIS 利用这种功能,通常把图形的坐标数据, 当作一个二进制块,交由关系数据库管理系统进行存贮和管理。这种存贮方式,虽然省去了前面所述的大量关系连接操作,但是二进制块的读写效率要比定长的属性字段慢得多, 特别是涉牵对象的嵌套, 速度更慢。

4.3 对象-关系数据库管理系统

由于直接采用通用的关系数据库管理系统的效率不高,而非结构化的空间数据又十分重要,所以许多数据库管理系统的软件商纷纷在关系数据库管理系统中进行扩展, 使之能直接存贮和管理非结构化的空间数据, 如 Ingres, Inform ix 和Oracle 等都推出了空间数据管理的专用模块, 定义了操纵点、线、面、圆、长方形等空间对象的A P I函数。这些函数,将各种空间对象的数据结构进行了预先的定义,用户使用时必须满足它的数据结构要求,用户不能根据GIS 要求(即使是GIS 软件商)再定义。例如这种函数涉及的空间对象一般不带拓扑关系, 多边形的数据是直接跟随边界的空间坐标, 那么GIS用户就不能将设计的拓扑数据结构采用这种对象—关系模型进行存贮。这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据变长记录的管理,由于由数据库软件商进行扩展,效率要比前面所述的二进制块的管理高得多。但是它仍然没有解决对象的嵌套问题,空间数据结构也不能由用户任意定义, 使用上仍然受到一定限制。

4.4 面向对象空间数据库管理系统

面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理,它不仅支持变长记录, 而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。面向对象的空间数据库管理系统允许用户定义对象和对象的数据结构以及它的操作。这样,我们可以将空间对象根据GIS的需要,定义出合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以是不带拓扑关系的面条数据结构, 也可以是拓扑数据结构, 当采用拓扑数据结构时, 往往涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。当前已经推出了若干个面向对象数据库管理系统如O2、Object store otorn 等, 也出现了一些基于面向对象的数据库管理系统的地理信息系统,如GDE 等。但由于面向对象数据库管理系统还不够成熟, 价格又昂贵, 目前在GIS领域还不太通用。相反基于对象—关系的空间数据库管理系统将可能成GIS空间数据管理的主流。

4.5 面向对象的矢栅一体化空间数据库管理系统

以上所述空间数据库管理系统主要是针对图形矢量空间数据的管理而采取的方案。当前除图形矢量数据以外,还存在大量影像数据和DEM 数据,如何将矢量数据、影像数据、DEM 数据和属性数据进行统一管理, 已成为空间数据库的一个重要研究方向(Ehlers, 1989, Figueroa, 1990)。一种实现方案是采用面向对象矢栅一体化空间数据模型。面向对象的矢栅一体化数据模型是面向对象技术与空间数据库技术相结合的产物。面向对象技术已成为现代计算机技术的主流技术。在众多领域,面向对象技术已成为新一代软件体系结构的基石。面向对象数据模型和面向对象的空间数据管理一直是地理信息系统领域所追求的目标。自80 年代末、90年代初,人们就相当重视面向对象技术在GIS 领域中的应用, 软件技术也在不断发生变革,较早推出的面向对象 GIS 软件 System 9,对面向对象方法GIS 中的应用起了较大推动作用,之后的Small Word已使面向对象GIS达到了普及应用阶段。

五、空间数据库的实际应用

5.1 空间数据库实际应用的必要性

现实生活中, 大部分的数据( 约85%以上) 都具有空间属性,例如,地址、电话号码、客户统计分布数据或者资产分布数据等等。利用这些数据信息的空间属性进行数据分析,可以观察发展趋势,帮助您掌握机遇。总而言之, 能够迅速有效地管理空间数据, 根据其空间属性进行分析,对于当今的企业来说, 是势在必行的。特别是在金融、保险、市场营销、邮电通信、市政管理、城市规划、公安交通、石油地质、医疗保健等领域。而能够进行空间操作的数据库更具有明显的优势,它包含许多能够根据其地理属性进行分析的基本信息。所有在普通数据库中能够进行的空间操作在空间数据库中均可以进行。使用Or-acle7 Spatial Data Opt ion, 可以围绕数据库建立一个企业级的决策支持系统, 用来处理所有类型的数据, 包括空间属性数据。可以预见,随着信息技术的发展,对于空间数据的管理将显得日趋的重要,因此空间数据库因其数据分析的多维性,或者说是空间性,在数据库的应用方面将扮演越来越重要的角色。

5.2 空间数据库的具体应用

5.2.1 实例1——石油地质空间数据库

5.2.1.1 研究思路

针对油田上游业务特点，利用空间数据库管理各类空间对象（表 1），建立一个涵盖勘探开发工程设计及油田建设等领域的公共基础地理数据库及其应用系统平台。

如果遇到需要更新的数据（例如，一个圈闭需要更新），就可以利用图形制作软件修改这个圈闭，生成新的版本需要更新各个图件的时候，只需要根据条件和范围选择各类空间对象重新生成图件即可图形数据统一一次修改确立数据权威，减少了工作量，并且由于系统仍然存有老版本数据，还可以进行动态模拟某个图件对象的变化过程通过采用通用图形显示标准应用接口规范及统一授权机制等技术和 SOA架构理念集成已建和未建专业数据库应用系统（图 1），为地理地质工程环境条件等专业应用系统提供统一的规范的标准的和集成的基础地理服务及其他个性化应用服务，从而将其逐步打造为一个跨专业多应用和集中展示的油田上游业务综合工作平台，服务于油田上游业务的科研管理及决策工作。

这是一次从图形文件管理向实体对象管理转变，是实现数字油田的一项非常重要不可缺少的基础工作涉及构成图件的所有普通地理和石油专业的所有空间实体对象建设一个与任何制图软件无关的图形存放标准，既有充分的表现力，又简单实用，数据标准是开放的透明的，今后都可遵循这个标准。

5.2.1.2 实施步骤

实施步骤分两个阶段完成。

5.2.1.2.1 第一阶段

空间数据库和GIS应用平台建设：分析石油空间对象、构建空间数库；开发基于空间数据库的 GIS成图和 GIS应用平台，确立空间对象的服务和安全管理体系。

5.2.1.2.2 第二阶段

专业服务体系的设计和开发建设：构建专业服务体系，内容包括构架专业。服务体系，制定专业服务的规范和标准；建立专业服务管理器，内容包括自由配置专业服务的名称调用路径参数设置方法调用方式配置与空间对象的关联功能包括添加配置修改专业服务；制作专业服务，内容包括改造各分类数据库的专业功能，制作成专业服务的形式按油田企业标准设计服务，使之统一风格功能包括查询专业库数据，用图形或表格进行展示。

5.2.1.3 应用及效果分析

5.2.1.3.1 图形元素的分层控制

就像我们在日常应用中看到的那样，当打开一幅复杂的图件时，由于图上有太多的东西（断层等值线、井位测线等），使人看了眼花缭乱，一时难于找到希望看到的东西（图 2）该图形平台采用分层管理的模式为科研人员解决了这一难题通过分层的机制，科研人员可以关闭不希望看到的层，从而凸现所关注的相关地质信息若要查找某个图元（图上的一个元素），图形平台提供了许多方法找到它，通过名称（比如井名），通过类别、通过层类通过大小通过颜色当找到后，系统通过一个特殊的标志显示出图元的位置通过数字制图平台上的工具，可删除不再需要的层（包括动态图层）可让某层或某些层闪烁。

5.2.1.3.2 空间数据查看

现有的图件只是有限数据的组合，它只能反映图件制作时的某些信息人们没有必要也不可能将全部信息都集中到一幅或有限的几幅图件上，即使能做到这一点，新的信息也反映不到已经制作好的图件上按照现代数据管理的模式，空间图形数据应按照数据的类别分类存放基于这样的理念，本图形平台提供了关联任意空间（平面几何）数据库的能力，无论是各个数据结构还是用户自己设计的空间数据库，只要满足一定的空间数据的要求，都可以十分简单方便的集成到图形平台[4~5]（图 3）

用户在该平台下，可通过预先定义、交互定义用现有图件的框架等手段，指定一个（矩形区域），将希望查看的各类地理空间数据依次铺设到该区域上，动态生成一幅新图件，达到实时查看信息的目的如了解某个地区或全油田新的勘探形势局部或全油田新的（或一定时期内的）各类井分布图等不依赖于专业制图人员，任何人都可在短短一二分种内，得到一幅专业级的地质图件不仅空间数据可按层显示，对于任何的一层（一类）数据，在查看中可选择附加的条件比如井位信息，可以定义井别油气田钻探日期等条件对于构造区块可以指定日期等条件。

5.2.2 实例2——城市规划图

5.2.2.1 引入 GIS软件后，GIS空间数据在规划成图过程中的应用大大增加，而引起成图流程及其所用软件、成果数据的调整，如图 2所示。

5.2.2.1.1 地形图预处理过程

利用 AutoCAD的“矢量图打印成栅格图”功能生成栅格地形图,进而可通过 Map Info的地图投影功能读入软件中,作为空间分析的背景数字地图。

5.2.2.1.2 现状空间分析过程

将 GIS空间数据如现状道路、用地界线、工程管线等数据直接读入 MapInfo中,叠加在分析底图上。通过对现状规划要素的评价分析、比较分析、影响范围分析、平衡分析和门槛分析等空间分析过程,为制定规划方案提供支持。

5.2.2.1.3 规划方案成图过程

通过规划分析,找出问题,确定规划方案后,便可在 AutoCAD中画出规划内容 ,这一步与现有规划成图过程相似.但为了利用 MapInfo软件对规划内容进行空间检验 ,必须对面状要素(如地块界线等 )进行闭合且按照不同规划内容分层。

5.2.2.1.4 规划方案空间检验过程

将5.2.2.1.3中的图形元素转入Map Info中,编辑、编码完成后,即形成了规划内容的 GIS空间数据.通过对规划要素的用地平衡检验、服务半径检验、投资平衡检验等空间检验过程,评估规划方案的合理性和可实施性。

5.2.2.1.5 规划图后期加工过程

通过空间检验,若规划方案不合理,则重返5.2.2.1.3,修改规划方案及内容;若方案合理 ,则在 Au2toCAD中将确定的方案打印成栅格图形文件 ,调入Photoshop中进行后期加工修饰 ,得到的文件可直接打印出图。

5.2.2.2 GIS空间数据库在规划成图过程中的具体应用

5.2.2.2.1 在现状分析中的应用

利用 GIS空间数据在 MapInfo中可以对现状要素进行空间分析,主要有:

评价分析:规划范围内的社会、经济、环境等多方面因素都会对规划结果产生影响 ,评价分析就是对这些因素综合影响下的最优化空间方案做出评价选择，这一功能可以通过对各因素的空间叠加 (o2verlay)功能实现。

比较分析:通过对城市不同时期空间的发展化特征比较,能反映城市空间发展的方向和数量；如果GIS空间数据库内具备不同时期的社会、经济发展数据 ,还能对这些数据进行空间的同步分析,从而为规划决策提供直观判断。

影响范围分析:利用SQL选择( SQL select)功能对符合某些属性条件的空间数据进行检索 ,利用缓冲区 ( buffer)功能分析其影响范围，如某个公共设施的服务半径、公交车站点的服务人口等现状。

平衡分析：尤其是可以利用空间数据对不同性质用地进行平衡分析,为调整城市用地结构和规模提供参考和依据。

门槛分析:城市空间拓展往往会遇到一定的门槛,如道路拓宽后两边建筑的拆迁量计算,可以利用缓冲区功能对空间数据进行分析，还可以利用 MapInfo的生成专题图 ( Thematic Map)功能,将上述多种空间分析结果生成各种直观的分析图,如密度范围图、性质分类图等。这些分析图可以另存为( save window as)栅格图,经 Photoshop处理后供打印输出,也可直接进入GIS空间数据库对原有数据进行更新和补充。

在规划内容检验中的应用，城市规划本身是一种空间资源调控 ,因此对其内容的检验完全可以利用 MapInfo的空间分析来进行.常见的空间检验有:

用地平衡检验:由于已经获得了规划内容的GIS空间数据,因此完全可以在Map Info中利用 SQL选择功能选取某类用地并自动求和,这一操作仅需一个SQL函数便可完成。

服务半径检验:利用 SQL选择功能将所有符合某些特定属性条件的公共设施选出,利用缓冲区功能,可以非常方便地对它们的服务半径是否符合规范进行检验。

投资平衡检验:通过对现状与规划的 GIS空间数据的叠加分析,可以得出规划空间扩展量；再利用 SQL函数对扩展空间按类别选出不同用地并求出面积之和,参照地均投资与产出 ,即可得到规划方案的投资平衡检验。

六、结束语

GIS 处理的是复杂的地理空间信息，与普通数据库的业务逻辑不同，有特定的严密的逻辑系统，包括：空间参考系统、空间数据模型、空间索引、空间对象操作、空间分析等等，在此基础上衍生的空间数据并发、版本、长事务、时序等应用相比非空间数据的应用、管理又复杂得多。因此，只有将GIS 技术和数据库技术相互结合相互渗透才能获得高效、稳定、安全的空间数据库系统。空间数据库是提高GIS数据存储和处理能力的重要技术,GIS是空间数据库的主要应用领域。当今比较完善的空间数据库产品，比如Oracle Spatial和GIS开发平台 MapInfo构建的空间数据库,不但可以达到空间数据和属性数据无缝集成的目的,同时也为更深层的空间数据挖掘和知识发现和智能化 GIS 研究奠定了基础。