地理信息系统空间数据库课件
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地理信息系统基础_ 空间数据管理_56 新型空间数据库_
新型空间数据库武汉大学遥感信息工程学院乐鹏
本节内容
新型数据库概述
5.6.1
新型空间数据库
5.6基于NoSQL 数据库的空间扩展
5.6.2
新型数据库概述
5.6.1
大数据时代数据格式复杂多样，单一的关系数据库无法满足需求数据量巨大，传统单机存储模式无法满足OLAP/OLTP性能需求
该如何选择数据库？
例如：滴滴出行新增原始轨迹数据规模达到70TB/日
NoSQL数据库
Not Only SQL
（1）NoSQL存储：
不使用关系数据模型
数据模型多种多样，不需要事先为存储数据建立模式，可随时存储自定义的数据格式
能很好地处理半结构和非结构化的大数据
NoSQL数据库
Not Only SQL （2）NoSQL特点：针对大型集群而设计
支持数据自动分片
很容易实现水平扩展
具有良好的伸缩性
（3）关系数据库与NoSQL数据库的对比
关系数据库NoSQL数据库关系模型是否
SQL查询语言是否
事务ACID特性是否
水平扩展否是
海量数据否是
动态模式否是
（4）NoSQL数据系统分类列簇存储
键值模型
文档模型
图模型
①列簇存储
存储模式：
以列为单位存放数据，列的集合称为列簇
每一列中的每个数据项包含时间戳属性，
可保存列中的同一个数据项的多个版本
优点：
相对于关系数据库以行为单位进行数据储存，
使用列存储，对于大数据量的读取，更加高效。
代表软件：
谷歌的BigTable，后期衍生的HBase，Cassandra等。
《地理信息技术应用》最新备课课件：4-GIS空间数据库
1)采用标准DBMS存储空间数据的主要问题 ➢GIS中空间数据记录是变长的，且要存储和维护空间 数据拓扑关系； ➢DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包 含、叠加等基本操作。 ➢GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支 持；
➢地理信息是复杂的，单个地理实体的表达需要多个文 件、多条记录、或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、 空间特征量测值、属性数据的关键字以及非空间专题属 性等； ➢具有高度内部联系的GIS数据记录需要更复杂的安全 性维护系统。
存储在计算机环境中的相互关联的数据集
在这样的环境中，数据是永久的，也就是说 它可以幸免于软件和硬件的问题（除非是磁盘 崩溃）。
大数据卷和持久性是数据库最大的两个特点。
一个简单的数据库系统环境
Application programs/queries
Software to process queries Software to access stored data
④ 重新设计一个具有空间数据和属性数据管理和分析 功能的数据库系统。
2.数据库的数据与文件组织分级
数据项 数据项是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、 字段等，数据项与现实世界实体的属性相对应，数据项 有一定的取值范围，称为域，域以外的任何值对该数据 项都是无意义的。 记录 记录是由若干相关联的数据项组成，是处理和存储信息 的基本单位，是关于一个实体的数据总和，构成该记录 的数据项表示实体的若干属性。为了唯一标识每个记录， 就必须有记录标识符，也叫关键字。记录标识符一般由 记录中的第一个数据项担任，唯一标识记录的关键字称 主关键字，其它标识记录的关键字称为辅关键字。
DBMS
Stored database
Stored database definition metadata
5地理信息系统的数据模型与空间数据库
29
关系模型
属性 实体 E1 E2
…
A1
V11 V12
…
A2
V21 V22
…
A3
V31 V32
…
…
… …
An
Vn1 Vn2
…
E3
V13
V23
V33
…
Em
V1m
V2m
V3m
…
…
Vn3
Vnm
30
关系1：边界关系 多边形 边号 (P) Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ 边 号 (E) a b e b c d 边 长 (L) 30 40 30 40 25 28
为“一对一联系”，记为“1:1”。例如省—省会。
一对多联系 如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零 个或多个）实体有联系，而E2中每个实体至多和E1 中一个实体有联系，那么称E1和E2的联系为“一对
多联系”，记为“1:N”。例如省和湖泊。
17
多对多联系 如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（ 零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1 和E2的联系为“多对多联系”，记为“M:N”。 例如地块—弧段。 关系数据库很难表达多对多联系，这时候必需进 行分解。
24
1) 层次模型
层次层次模型所表达的基本联系是一对多的关 系，它把数据按其自然的层次关系组织起来，以反 应数据之间的隶属关系。 层次模型的优点是模型层次分明、结构清晰， 较容易实现。尽管每个记录只有一个双亲，当从子 女查找双亲，只有唯一的结果，但查找比较麻烦， 需要大量的索引文件，而且某种属性值可能要重复 多次，导致数据冗余度增加，当对层次模型进行修 改时，只有当新记录有上属记录时才能插入。删除 一个记录其所有下属记录也同时被删除。
关系模型
属性 实体 E1 E2
…
A1
V11 V12
…
A2
V21 V22
…
A3
V31 V32
…
…
… …
An
Vn1 Vn2
…
E3
V13
V23
V33
…
Em
V1m
V2m
V3m
…
…
Vn3
Vnm
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关系1：边界关系 多边形 边号 (P) Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ 边 号 (E) a b e b c d 边 长 (L) 30 40 30 40 25 28
为“一对一联系”，记为“1:1”。例如省—省会。
一对多联系 如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零 个或多个）实体有联系，而E2中每个实体至多和E1 中一个实体有联系，那么称E1和E2的联系为“一对
多联系”，记为“1:N”。例如省和湖泊。
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多对多联系 如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（ 零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1 和E2的联系为“多对多联系”，记为“M:N”。 例如地块—弧段。 关系数据库很难表达多对多联系，这时候必需进 行分解。
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1) 层次模型
层次层次模型所表达的基本联系是一对多的关 系，它把数据按其自然的层次关系组织起来，以反 应数据之间的隶属关系。 层次模型的优点是模型层次分明、结构清晰， 较容易实现。尽管每个记录只有一个双亲，当从子 女查找双亲，只有唯一的结果，但查找比较麻烦， 需要大量的索引文件，而且某种属性值可能要重复 多次，导致数据冗余度增加，当对层次模型进行修 改时，只有当新记录有上属记录时才能插入。删除 一个记录其所有下属记录也同时被删除。
地理信息系统空间数据库
三、关系模型
用二维表来表达实体和实体之间的联系。使得设 计、操纵较为容易。
四、三种传统数据模型的比较
§4.3 空间数据库概念模型设计 —语义模型和面向对象模型
• 传统数据模型的弱点： （1）以记录为基础的结构不能很好面向用户
传统模型－记录；现实世界－事务、实体。有时不对应。
（2）不能以自然对象（Object)：实体的抽象（基本元素），封装了数据和操作集 的实体。
• 消息（Message）：请求 对象执行某一操作或回答 某些信息的要求。
• 类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具 体的关系。
3. 对象的性质
• 封装：
• 继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特 征和功能。不必重复实现，减少代码。
2. 概念模型（空间特征，关系描述）
（1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型； （2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： • 空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； • 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； • 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相
关关系。
3. 空间数据库的数据模型设计
层次、网状显式地描述关系，但不自然；关系模型联系隐 含，必须检索全部记录才能确定。
（3）语义贫乏
用单一结构描述描述“交互”、“从属”、“构成”等众 多联系，语义上无法区别。
（4）数据类型太少
只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。
一、语义数据模型
－实体联系模型（E –R模型）
• 提供三种语义概念：
（1）实体：客观存在的起独立作用的客体。 （2）联系：实体间的相互作用或对应关
系:1:1,1:N,M:N, （3）属性：对实体和联系特征的描述。
《GIS系统简介》PPT课件
《国家电网公司电网GIS_空间信息服务平台空间数据规范》
GIS在电力行业的应用及角色
• GIS系统在电力行业的角色
– GIS系统在电力相关系统中作为操作和展示的平台。 GIS软件品台所提供的基本工具：如基本图形操作、辅助
图形操作、图形编辑、电网建模、拓扑关系的建立与维护、
电网模型校验、标准空间分析、空间查询、数据版本管理、 图形数据的导入与导出、绘图打印等；
什么是GIS
地理学
• 两部分定义：
– 作为一门学科。是描述、存储、分 析和输出空间信息的理论和方法的 一门的交叉学科。 – 作为一个技术系统。以地理空间数 据库为基础，采用地理模型分析方 法，适时提供多种空间的和动态的 地理信息，为地理研究和地理决策 服务的计算机技术系统。
地理学分支学科： 人文地理学 自然地理学 经济地理学 地图学
• • • • • 配电设备台帐管理 配电设备图形管理 停电模拟 业扩报装辅助分析 单线图管理
KDGIS介绍-功能介绍
• 用电管理及辅助故障抢修
• 用户表箱位置数据管理 • 辅助故障抢修
抢修中心 获得故障信息
发送故障数据
GIS系统
获得故障位置 并发送 故障处理完成
信息反馈
到达现场 故障处理
地图显示位置
抢修车辆车载端
KDGIS介绍-功能介绍
• 缓冲区分析
• 缓冲区是指为了识别某地理实体或空间物体对其周围的邻 近性或影响度而在其周围建立的一定宽度的带状区。从几 何上，是指根据点、线、面实体,在其周围建立一定宽度 范围的缓冲区多边形。 • 针对线路或设备，可设定缓冲距离，进行基于设备缓冲区 域的空间分析。如线路走廊，供电半径等等。
比例尺与分辨率
5米分辨率 2米分辨率 1米分辨率 0.5米分辨率 0.25米分辨率 0.125米分辨率
地理信息系统数据结构PPT课件
第243页/共42页
点实体
有位置，无宽度和长度； 抽象的点
美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该 洲可能的500个地震位置
第254页/共42页
面实体
具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形
中国土地利用分布图
第265页/共42页
空间对象：体
有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿
第132页/共42页
高斯—克吕格投影（Gauss-Kruger Projection） ---投影分带
高斯投影在我国系列比例尺地形图中的应用
我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯－克吕格 投影。 1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°分带方案，全球 共分为60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共 含11个投影带； 1:1万比例尺图采用3°分带方案。
第76页/共42页
一、地球空间参考
• 地理空间坐标系统分类 • 球面坐标系统（地理坐标系） • 平面坐标系统（投影坐标系统）
投影
地理坐标系：直接建立在 球体上的地理坐标，用经 度和纬度表达地理对象位 置
第87页/共42页
建立在平面上的直角坐标系 统，用（x，y）表达地理对
象位置
二、 空间数据投影
• 第二章 第一节 地理空间数学基础 地理信息系统数据结构
• 一、地球空间参考 • 二、空间数据投影 • 三、空间坐标转换 • 四、空间尺度 • 五、地理格网 • 第二节 地理空间与空间数据表达 • 第三节 栅格数据结构 • 第四节 矢量数据结构
第21页/共42页
第一节 地理空间数学基础 地理空间的数学基础是GIS空间位置数据定位、量算、转换和参与空间分析的基准。
点实体
有位置，无宽度和长度； 抽象的点
美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该 洲可能的500个地震位置
第254页/共42页
面实体
具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形
中国土地利用分布图
第265页/共42页
空间对象：体
有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿
第132页/共42页
高斯—克吕格投影（Gauss-Kruger Projection） ---投影分带
高斯投影在我国系列比例尺地形图中的应用
我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯－克吕格 投影。 1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°分带方案，全球 共分为60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共 含11个投影带； 1:1万比例尺图采用3°分带方案。
第76页/共42页
一、地球空间参考
• 地理空间坐标系统分类 • 球面坐标系统（地理坐标系） • 平面坐标系统（投影坐标系统）
投影
地理坐标系：直接建立在 球体上的地理坐标，用经 度和纬度表达地理对象位 置
第87页/共42页
建立在平面上的直角坐标系 统，用（x，y）表达地理对
象位置
二、 空间数据投影
• 第二章 第一节 地理空间数学基础 地理信息系统数据结构
• 一、地球空间参考 • 二、空间数据投影 • 三、空间坐标转换 • 四、空间尺度 • 五、地理格网 • 第二节 地理空间与空间数据表达 • 第三节 栅格数据结构 • 第四节 矢量数据结构
第21页/共42页
第一节 地理空间数学基础 地理空间的数学基础是GIS空间位置数据定位、量算、转换和参与空间分析的基准。
地理信息系统与空间分析培训ppt
地理信息服务的普及化与标准化
服务接口标准化
制定统一的地理信息服务接口标准，规范服务提 供方式，提高服务的互操作性和可扩展性。
服务内容多样化
针对不同领域和行业需求，提供定制化、专业化 的地理信息服务，满足用户个性化需求。
服务普及化
降低地理信息服务的门槛和成本，让更多的用户 能够享受到地理信息服务带来的便利和价值。
总结词
地理空间分析是GIS的核心应用之一，通过对地理数据的处理和分析，挖掘出隐 藏在数据背后的空间规律和关系。
详细描述
常见的地理空间分析方法包括空间查询、缓冲区分析、叠置分析、网络分析等。 这些方法可以帮助用户解决实际问题，如资源分配、选址分析、路径规划等。
地理信息系统软件介绍
总结词
GIS软件是实现GIS功能的重要工具， 不同的软件在功能、操作方式、数据 格式等方面存在差异。
地理空间数据可视化
总结词
可视化是GIS的重要功能之一，通过地图、图表等形式将地理信息呈现出来， 帮助用户更好地理解和分析空间数据。
详细描述
GIS支持多种可视化方式，包括地图制作、图表生成、三维渲染等。通过这些可 视化手段，用户可以直观地了解地理数据的分布、变化和关联，从而更好地进 行空间分析。
地理空间分析方法
详细描述
常见的GIS软件包括ArcGIS、QGIS、 GRASS GIS等。这些软件各有特点， 用户可以根据实际需求选择合适的软 件进行学习和使用。
03
空间分析原理与实践
空间分析基本概念
空间分析定义
空间分析是地理信息系统（GIS ）的核心功能之一，它利用地理 信息数据和相关算法，对地理现 象和空间数据进行处理、分析和
空间大数据的挑战与机遇
地理信息系统空间数据库 ppt课件
第一节 空间数据库概述
（1）概念模型
实际上是现实世界到机器世界的一个中间层。概念模型用于 信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是设计 人员的有力工具。
概念结构 设计过程
特点
需求分析 概念结构
用户需求
抽象
信息结构
概念模型
能够真实、 处分的反映 现实世界
易于理解 用户与设计
人员
易于更改 需求改变 模型改变
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
第一节 空间数据库概述
2. 空间数据库的相关概念 空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关 的地理空间数据的总合，以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介 质上。 空间数据库（系统）组成： ➢空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关 的地理空间数据的总合，一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存 储在介质上。 ➢空间数据库管理系统：是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行 语义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及 能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件。 ➢数据库应用系统：应用模块。
一、 层次数据模型 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层次数据库
系统采用层次模型作为数据的组织方式，用树形结构来表示各 类实体以及实体间的联系。如行政机构，家族关系等。 (1)层次模型的数据结构特点 ➢ 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点 ➢ 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点 ➢ 同一双亲的子女结点称为兄弟结点，没有子女结点的结
GIS地理信息系统空间数据结构ppt课件
数据库
独立编码
点: ( x ,y )
线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
标识码 属性码 存储方法
点位字典
空间对象编码; 唯一; 连接空间和属性数据
点: 点号文件 线: 点号串 面: 点号串
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3、拓扑关系的表达 拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面--链关系： 面 构成面的弧段 （2） 链--结点关系： 链 链两端的结点 （3） 结点--链关系： 结点 通过该结点的链\ （4） 链—面关系： 链 左面 右面
4、拓扑关系的意义：
对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为： 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳 定性，不随地图投影而变化。 2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接 县，--面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要 查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。
距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。
（二）拓扑关系
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（二）拓扑关系
1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义
1、定义： 指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
拓扑变换 （橡皮变换）
非拓扑属性（几何） 两点间距离
一点指向另一点的方向
第三章 空间数据结构
§3-1空间实体及其描述 §3-2矢量数据结构 §3-3栅格数据结构
;.
1
测绘技术中的地理信息系统与空间数据库
测绘技术中的地理信息系统与空间数据库随着科技的不断进步和发展，测绘技术在现代社会中扮演着重要的角色。
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）和空间数据库作为测绘技术中的两大核心概念，对于地理信息的收集、管理、分析和应用起着至关重要的作用。
一、地理信息系统的概述地理信息系统是以空间数据为基础，通过软件技术对地理现象进行描述、分析和预测的系统。
它将地图、数据库和计算机技术有机地结合在一起，使得地理现象和空间关系可以通过数字化的方式进行管理和处理。
地理信息系统包括数据采集、数据存储、数据管理、数据分析和数据展示等多个环节。
数据采集是GIS的基础，通过遥感、GPS定位、测绘等技术手段，可以获取大量的地理数据。
其中，遥感技术的应用尤为广泛，可以高效地获取广大范围的地理信息。
数据存储和管理使得大量的数据可以被有效地组织和管理起来，以便后续的分析和应用。
数据分析是GIS的核心功能之一，通过对数据的处理和分析，可以发现地理现象之间的关联性和规律性。
数据展示是最终向用户展示结果的环节，通过地图、图表等形式，将复杂的地理信息转化为直观的可视化结果。
二、空间数据库的重要性空间数据库是地理信息系统的基础设施，负责存储和管理地理信息的空间数据。
与传统的关系型数据库相比，空间数据库不仅具备储存和管理数据的能力，还包含了对地理数据进行空间查询和分析的功能。
空间数据库的设计和实现需要考虑到地理数据的特殊性。
地理数据具有空间关联性和拓扑关系，因此空间数据库需要支持空间查询、空间索引和拓扑关系的维护。
同时，由于地理数据的大小和复杂性往往超出了传统数据库的承载能力，因此空间数据库需要具备高效的数据存储和检索性能。
空间数据库的应用范围广泛，包括地理空间分析、地理空间模拟、地理空间预测等多个领域。
例如，在城市规划中，通过对空间数据库中的地理数据进行分析，可以有效地评估城市交通、环境和人口分布等问题，从而为城市规划提供科学依据。