3.5.1 空间数据库概述

1. 空间数据库的概念

通常，数据库是数据库系统（Database System，DBS）的简称，数据库系统就是为一定目的服务，用特定的数据存储方式存储相关数据，并且能够实现数据更新、管理、查询、检索和分析等功能的系统。

空间数据库系统也是由三个方面组成：空间数据库、空间数据库管理系统和空间数据库应用系统。

空间数据库是按一定规则存储在计算机上的空间数据及其相应属性数据的集合；

空间数据库管理系统是对存储介质上的地理空间数据及属性数据进行语义和逻辑上的定义，并具有数据查询检索和存储功能，以及能够对空间数据进行有效维护和更新的一套软件系统；

空间数据库应用系统则是为了满足特定用户对空间数据的处理需求建立起来的，具有空间数据库访问功能的一种应用软件，给用户提供了对空间数据进行访问和操作的用户界面。

2. 空间数据库的特点

1）从操作对象上来说，空间数据库的操作对象是空间数据及其相应的属性数据，所以数据量非常大，通常称为海量数据。

2）操作对象的地理实体类型繁多、空间关系复杂。地理对象之间存在着错综复杂的空间关系，这些关系有水平方向上的，可能还有垂直方向上的，所以空间数据库不仅要实现对数据的描述，还要完成对空间关系的描述。

3）数据应用广泛。例如，可应用于地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设以及数字城市、可持续发展、海洋资源管理等领域。

3. 空间数据库管理系统

数据库管理系统（DBMS）是在文件处理系统的基础上进一步发展的系统，它是处理数据库存储和各种管理控制的软件，它在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。数据库管理系统的功能主要有：定义数据库、管理数据库、维护数据库以及数据库的通讯功能。

空间数据库的管理模式：

（1）采用文件与关系数据库管理系统的混合管理模式

特点是：a. 空间图形数据和属性数据分开存储，采用不同的系统存储，并用唯一的标识符将二者联系起来；b. 在空间数据的组织上，垂直方向上分图层管理，水平方向上分图幅管理；c. 由于图形数据和属性数据的分开存储，导致数据的一致性维护困难，数据的安全性和完整性较差，数据发布和共享困难，运算速度较慢。

（2）采用全关系型数据库管理系统

特点是：统一对空间数据进行管理，便于数据的维护；用二进制数据块形式存储图形数据，省去大量图形数据和属性数据的关系连接操作，提高查询速度；但二进制块的读写效率要比定长的属性字段低得多，尤其在涉及对象的嵌套时，数据库的操作速度、效率等问题严重。

（3）采用对象--关系型空间数据库管理系统

它是在关系型数据库管理系统的基础上，通过添加空间数据库管理专用模块形成的，可以有效解决变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多。但它仍未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，使用上依然受到限制。

3.5.2空间数据库的设计

数据库设计就是根据用户的要求和应用目的，在一个给定的应用环境下，确定最佳的数据库结构、数据格式、处理模式和存取方法等，建立能反映现实世界的地理实体集合及它们之间的联系，以满足用户的需求，达到有效的应用目的。空间数据库的设计一般包括以下几个步骤：

1. 需求分析

充分了解用户的实际需求，掌握用户希望数据库能够实现的功能，并收集相关的数据。

2. 概念设计

对需求分析阶段收集到的数据和信息加以整理、分析，确定地理实体、属性及它们之间的联系，将分散、独立的各用户需求信息整合为一个综合的全局视图。数据库概念设计阶段需要建立数据库的数据模型，可以采用的建模方法主要有三种：一是传统数据模型，包括层次模型、网状模型和关系模型；二是语义模型。语义模型的模型结构是由若干抽象所组成，用这些抽象来描述客体的基本语义特性，再根据一定的规则将这些抽象有机的组织起来，最常用的语义模型是实体-联系模型（又称为E-R模型）；三是面向对象的数据模型，它是在前两种方法的基础上发展起来的一种数据建模技术。

3. 逻辑设计

在概念设计的基础上，按照不同的转换规则将概念设计过程中建立的数据模型转换为空间数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据语言表达出来，即导出空间数据库管理系统可处理的地理数据库的逻辑结构（外模式）。

4. 物理设计

物理设计是在物理存储器上实现空间数据库的逻辑结构，并在介质上确定数据的物理存储结构，从而建立地理数据库的存储模式（内模式）。

3.5.3空间数据库的建立

间数据库的建立包括以下三个过程：

1. 建立数据库结构

利用空间数据库管理系统中提供的描述语言描述逻辑设计和物理设计的结果，从而得到概念模型和外模型，再通过建模，经编译、运行后就可形成目标模式，建立起需要的空间数据库结构。

2. 输入数据

输入数据之前，对数据进行整理、分类、编码及格式和类型的转换等，确保装入数据的准确性、完整性和一致性。通过人工输入或通过地理信息系统软件建立数据输入模型（如采用ArcGIS中的图解建模工具）的方法对数据进行输入。在建立好数据输入模型以后，可先对少量数据进行输入试验，并对模型进行调试，直到模型基本稳定，输入结果达到要求后再将大量数据输入。

3. 调试运行

执行各种功能模块的操作、对数据库的各种功能进行全面的检查和调试，检查数据的完整性、安全性以及数据库的稳定性，待达到要求后，数据库就可以投入使用了。

3.5.4 空间数据库的维护

①维护数据库的安全性和完整性，包括数据的有效性、正确性和一致性以及对数据的保护等；②及时更新数据库，使数据库有较强的时效性和现势性；③监测并改善数据库的性能。

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