空间数据库理论基础_空间数据库和关系数据库

空间数据库理论基础

1.空间数据库概述

空间数据分为矢量数据和栅格数据

[1]空间实体

不可再分的最小单元现象称为空间实体

• 对存在于这个自然世界中地理实体的抽象
• 包括点、线、多边形等基本类型

空间实体举例

一根电线杆–>点
所处的位置信息，电线杆高度及其他相关信息
一条道路–>线
道路长度、宽度、起点、终点及道路等级等相关信息
一个湖泊–>多边形
湖泊的周长、面积和水质等信息

[2]空间数据的特征

空间特征

• 每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特征
• 空间数据组织需要考虑它的空间分布特征
• 除了属性索引外，还需要建立空间索引

非结构化特征

• 关系数据库中数据记录是结构化的
• 结构化数据
  • 满足关系模式的范式基本要求，可以用二维表结构来逻辑表达的数据
• 非结构化的数据
  • 不方便用数据库二维逻辑表来表现的数据，包括文本、图片、XML、HTML、音频、视频等
• 空间数据是一种非结构化数据
• 空间实体是不定长的，例如一条弧段可能包含两对坐标点，也有可能10万对坐标点
• 通用的关系数据库管理系统难以直接管理空间数据

空间关系特征

• 空间数据包括空间坐标和拓扑关系
  • 方便空间数据的查询和空间分析(几何对象模型和空间网络模型)

时态特征

• 反映地理实体的状态和演变过程的重要组成部分

多尺度特征

PostGIS 是一个空间数据库。Oracle Spatial 和 SQL Server（2008 或更高版本）也是空间数据库

[3]空间数据库的三大要素

• 空间数据（Spatial Data Type）
• 空间分析（Spatial Analysis）
• 空间索引（Spatial Indexing）

[4]空间数据库vs一般数据库

• 数据量大
  • 一个城市达几十个G，影像达几百个G
  • 在二维空间上划分为块或分幅，在垂直方向上划分为层来进行组织
• 空间数据与属性数据结合
• 应用广泛

[5]常见的空间数据库管理系统

Spatial Database Management System，SDBMS

[6]空间数据类型

一个普通的数据库有字符串、数字和日期。而空间数据库添加了额外的数据类型来表示地理特征。这些数据类型抽象和封装了边界和维度等空间结构。在许多方面，空间数据类型可以简单地理解为形状geometry。

空间数据类型以分层类型组织。每个子类型都继承其父类型的结构（属性）和行为（方法或函数）。

[7]空间函数

空间数据库提供一组功能来分析几何组件、确定空间关系和操纵几何。这些空间功能作为构建任何空间项目的“工具”。

大多数空间函数可以分为以下五类之一：

1. 转换：在geometry（PostGIS中存储空间信息的格式）和外部数据格式之间转换的函数。
2. 管理：管理有关空间表和 PostGIS 管理的信息的功能。
3. 检索：检索几何的属性和测量值的函数。
4. 比较：比较两个几何的空间关系的函数。
5. 生成：从其他函数生成新几何图形的函数。

[8]postgis简介

PostGIS通过向PostgreSQL添加对空间数据类型、空间索引和空间函数的支持，将PostgreSQL数据库管理系统转换为空间数据库。

[9]空间数据库标准规范

现有空间数据库标准主要有：

• Simple Feature Access SQL, SFA SQL（地理信息简单要素的SQL实现规范）
• SQL Multimedia Part3: Spatial, SQL/MM

SFA SQL

SFA SQL是OGC制定的标准

Simple Feature Access规范的两部分分别为：

• Simple Feature Access - Part 1: Common Architecture（https://www.ogc.org/standards/sfa） —— 定义几何对象的通用架构，描述了通用的简单要素地理集合对象模型，及集合对象的不同表达方式和空间参考系统的表达方式，具有平台独立性。
• Simple Feature Access - Part 2: SQL Option（https://www.ogc.org/standards/sfs） —— 定义了第一部分定义的简单要素模型在数据库中的实现，给出了内模式下几何类型(geometry type)的定义及相关实现。

SFA由OGC于1999年提出，说明了简单地理要素（点，线，多边形等）的对象模型及其发布、存储、读取操作的接口标准。

2005年进一步细化了相关内容，添加了注记文字 (Annotation Text)，将其修订为简单要素访问规范 (Simple Feature Access, SFA)1.1.0版。

2006年10月，推出了SFA 1.2.0版，目前该实现规范已被ISO TC211吸纳为ISO19125系列标准。

目前最新的SFA版本为1.2.1，于2011年推出。

SQL/MM

• PostGIS更符合SFA SQL标准（常用）
• Oracle Spatial更兼容SQL/MM标准

SQL/MM是ISO（International Standard Organization，国际标准化组织）提出的标准，SQL/MM第三部分空间定义了矢量数据存储与检索的相关标准，解释了基于这些数据类型如何使用存储、获取和处理空间数据。

两个标准的对比分析（重点）

SFA SQL和SQL/MM的Geometry类型总体框架比较近似

SFA SQL的Geometry类型结构图：（有空间参考系）

SQL/MM的Geometry类型结构图：

2.几何对象模型

[1]空间数据模型

什么是数据模型？

空间数据模型表达的是空间信息的一种数据组织方式，通常有对象模型、场模型、网络模型等。现有空间数据库系统均是基于某种空间数据模型的。空间数据模型是数据库系统的核心和基础。

空间数据模型的分类

现有的空间数据库都是基于某种空间数据模型

GIS中常见的两大数据模型：矢量模型和栅格模型

矢量模型

• 利用点、线、多边形的形式来表达现实世界
• 具有定位明显，属性隐含的特点
• 不可再分的最小单元现象称为空间实体
• 空间地物精确形状的几何(geometry)模型
  • 不含拓扑关系的对象(object)模型
  • 包含拓扑关系的拓扑(topo)模型
• 地物连通关系的网络(network)模型

栅格模型

• 以二维矩阵的形式来表示空间地物或现象分布的数据组织方式
• 每个矩阵单位称为一个栅格单元，单元值表示地物或现象的属性数据

注记文字模型

• 注记标签annotation label
• 注记文本annotation text
• 注记尺寸annotation size

[2]几何对象模型

几何对象模型是空间数据库中最常见、最基础的一个模型

概念模型

可以理解为空间数据类型（同关系型数据库中的实体，属性之类的概念）

• 一个依赖于空间参考系(Spatial Reference System)
• 测量参考系(Measure Reference System)
• 几何(Geometry)类
• 点(Point)：零维几何对象类，代表空间中的一个点，如城市
• 线(Curve)：由点序列描述一维的几何对象类，如街道、管线。相邻两点间的插值方法：线性插值和非线性插值
• 面(Surface)
• 多点(MultiPoint)
• 多线(MultiCurve)
• 多面(MultiPolygon)
• 多曲线(MultiCurve)
• 多折线(MultiLineString)
• 多多边形(MultiPolygon)
• 折线(LineString)：曲线的子类，采用线性插值
• 线段(Line)：折线的特例，只有两个点的线串
• 环线(LineRing)：由折线派生而来，闭合的、不自相交或相切的折线
• 多边形(Polygon)
• 体表面(PolyhedraSurface)
• 三角形(Triangle)
• 不规则三角网(Triangulated irregular network, TIN)
• 几何集合(GeometryCollection)

坐标维数与几何维数的区别：坐标维数为常见（x,y,z)坐标，而几何维数为：几何维度是在一定前提下描述一个几何对象所需的参数个数。例如：“点是零维的、线是一维的、平面是二维的、体是三维的

地理要素(feature)

• 对现实世界空间现象的抽象
• 由几何(geometry)、属性(attribute)、行为(behavior)等三类信息构成
• 地理要素的属性和行为等信息的建模是由应用系统的设计者，根据实际应用需求进行建模
• 几何的建模是数据库管理系统关心的基础问题

理解该模型的几个要点

1. OGC仅能表达和处理简单(Simple)的几何对象：简单几何对象是指不自相交的几何对象

2. 任何几何模型都有其边界(boundary)、内部(interior)和外部(exterior)

   • 边界：一个几何实体界限的集合，几何维数是其本身几何形状的维数减一
     • 点：空
     • 线：端点
     • 曲线及其子类：起始点和终止点
     • 多曲线及其子类：各曲线的起始点和终止点
     • 面：构成它的线串
   • 内部：是几何对象除边界外的所有直接位置 (direct position) 的集合
   • 外部：是空间全域与几何闭包之差
     • 任意几何对象外部的维数总是2
     • 所有的几何形状都有外部，即其几何形状的补集

3. 几何对象模型的坐标维数为3，但目前仅能描述二维几何对象

   • z值仅用于记录点在坐标空间中第3个坐标轴的测量值
     • 点用来表示山峰的位置，z值表示该山峰的高度
   • 模型中的体表面(PolyhedralSuface)类和不规则三角网(TIN)类也仅用于表达三维坐标空间中的某个曲面，并不能表达一个真正的三维的体模型
   • 随着空间应用的不断深入，三维几何对象、四维时空对象将是该模型今后需要不断发展和完善的地方

4. M值

   • 点类除了x, y, z坐标外，还有一个M坐标
   • M值是线性参考系统的一个重要的度量值
   • 例如，高速公路上的里程碑点可用其M值表示从高速公路
     起点到当前位置的距离

5. 由于体表面违反了“多边形元素只能相交在有限数量的点上”的规则，所以体表面不是多多边形

6. 不规则三角网格主要用来表达高程或其他状况(如浓度)的表面

   • 用来高程、坡度、坡向的计算，等高线的提取，体积的计算，垂直剖面分析，通视分析等

   • 在OGC的数据模型中，TIN被认为是矢量数据的一种表达方式，而ESRI的GeoDatabase则将其视为一种不同于矢

   • 量表达的另一种空间数据表达方式

几何对象的方法（函数）

分类

• 常规方法

12种方法，概念和方法不难理解

• 常规GIS分析方法

7种方法，基于GIS基础也不难理解

• 空间查询方法

前9种与空间拓扑关系查询有关
后2种是基于线性参考的空间查询方法

空间拓扑关系

8种空间关系

• 相离(disjoint)

  若

  声明：本文内容由网友自发贡献，不代表【wpsshop博客】立场，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容，请联系我们。转载请注明出处：https://www.wpsshop.cn/w/羊村懒王/article/detail/594074