空间数据库

第1章 绪论 　　1.1 空间数据库概述 　　1.1.1 空间数据库基本概念 　　1. 数据 　　数据是指客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述。 　　在空间数据库中，数据可以是一个数，如某一点的高程值、一个多边形的面积等，也可以是一组符号组成的字符串，如一个地名、一个河流注记、一幅图像。空间数据库中的数据大多与地理位置有关，一般称为空间数据(Spatial Data)。空间数据不同于普通的数据，它具有空间性、时间性、多维性和大数据量等特点，而且数据之间不仅有传统的关联关系，更多的还有空间关系，这就给数据的处理和利用带来了更多的难度。 　　2. 空间 　　空间(Space)是一个应用很广泛的名词。空间是客观存在的物质空间，是一个复杂的概念，具有多义性，既有与时间对应的含义，也有“宇宙牵间”的含义。空间可以定义为一系列结构化物体及其相互间联系的集合。日常语义上的“空间”是指事物之间的距离或间隔。从感观角度将空间看作是目标或物体所存在的容器或框架，因此空间更倾向于被理解为物理空间。空间知识的本质问题是一个古老的研究领域，关于空间的概念，不同的学科有不同的解释。哲学家、天文学家、物理学家对空间的论述众说纷纭。从物理学角度看，空间为宇宙在三个相互垂直的方向上所具有的广延性；天文学巾的空间指宇宙空间，是时空连续体系的一部分；行星物理和相关地球物理中的空间常指地球高层空间和行星际空间；在数学中空间概念的范围很广，一般指某种对象（现象、状况、图形、函数等）的任意集合，其中要求说明“距离”或“邻域”的概念；从地理学的意义上讲，空间是人类赖以生存的地球表层具有一定厚度的连续空间域，是一个定义存地球表层空间实体集上的关系。GIS领域的空间是指地理环境或地球表层空间，是地理信息系统表达和研究的对象。为了在GIS中对地理空间(Gcospacc)进行描述，常常需要借助于抽象的数学空间表达方法。 　　3. 地理空间 　　地球表面上的一切地理现象、地理事件、地理效应、地理过程统统都发生在以地理空间为背景的基础之上。地理学的空间是一个定义地球表层空间实体集上的关系，在空间实体之间有无数种关系，定义一种关系就自然定义了一种空间，而这个空间又是和几何关系联系在一起的，并且，几何关系是所有这些关系中的基础关系。地理空间是一个相对空间，是一个空间实体组合排列集（这些空间实体具有精确的空间位置），强调宏观的空间分布和空间实体间的相关关系（关系以各单个地理空间实体为联结的结点或载体）。地理空间是指空间参考信息的地理实体或地理现象发生的时空位置集。依附地理空间存在着各种事物或现象，它们可能是物质的，也可能是非物质的，与一定的地理空间位置有关，都具有一定的几何形态。在地理空间中，物体不仅反映事物和现象的地理本质内涵，而且反映它们在地理空间中的位置、分布状况以及它们之间的相互关系。地理空间十分复杂，其各组成部分之间存在内在联系，形成一个不可分割的统一整体，而且地理空间具有等级差别，同等级地理空间之间亦存在差异。 　　地理空间若想精确定位于地球上，还必须承认它有欧氏空间基础，有相对于地球坐标系的绝对位置。GIS中的地理空间是指经过投影变换后，在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间。它是地理空间的抽象表达，是信息世界层面的地理空间。地理空间由地理空间定位框架及其所连接的地理空间特征实体组成。通过地图投影，地理现象的宏观特性和空间位置的精确特征紧密有机地联系在一起。其中地理空间定位框架即大地测量控制，为建立所有地理数据的坐标位置提侠通用参考系统，将所有地理要素同平面及高程坐标系连接。地理空间特征实体则为具有形状、属性和时序性的空间对象。地理空间的数学描述可以表达为S= (O，R)，其中设E1、E2、 、En为n个不同类的地理空间实体，R表示地理空间实体间的相互联系、相互制约关系，O={E1，E2， ，En}表示地理空间中各个组成部分（实体）的集合。也就是说，可以简单地将地理空间理解为一个空间目标组合排列集，其每个目标都有具体位置、属性和时间信息以及与其他对象的拓扑关系和语义关系。 　　4. 空间数据 　　空间数据是对空间事物的描述，空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据。空间数据是一种带有空间坐标的数据，包括文字、数字、图形、影像、声音等多种方式。空间数据是对现实世界中空间特征和过程的抽象表达，用来描述现实世界的目标，记录地理空间对象的位置、拓扑关系、几何特征和时间特征。位置特征和拓扑特征是空间数据特有的特征。此外，空间数据还具有定位、定性、时间、空间关系等特性。郭仁忠(1997)认为空间数据由关于空间对象形态和位域的几何数据、关于空间对象主题的属性数据、关于空间位域上的空间变量的统计数据或模型参数三个部分组成。 　　由于现实世界的复杂性、模糊性和不确定性，以及人类认识世界和描述世界的能力的局限性，用空间数据来描述和表达地理空间实体时会产生误差，空间数据只能从有限的方面去描述事物，反映事物的某些特性，在一定程度上接近真实值，不可能也没必要全面、详尽、逼真地复制事物本身。另外，空间数据是以如人于统计、仪器测量、社会调查等多种方式获得的，就必然产生各种误差，如人为差错、仪器的系统误差等。空间数据在GIS中是采用笛卡儿坐标系表达的，在计算机中只能用离散的方式来表示空间物体，与自然界真实的地物是不一样的，不能达到百分之百的精确。 　　空间数据是数字地球的基础信息，数字地球功能的绝大部分都以空间数据为基础。当前空间数据已广泛应用于社会各行业、各部门，如矿产勘查、资源清查、土地利用、城市规划、环境管理、航空航天、交通、旅游、军事等。随着科学和社会的发展，人们已经越来越认识到空间数据对于社会经济发展、人们生活水平提高的重要性，这也加快了人们获取和应用空间数据的步伐。 　　5. 数据库 　　数据库技术是20世纪60年代中期开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术，是计算机科学的重要分支。数据库的英文是Database，其意义为数据基地，即统一存储和集中管理数据的基地。有些类似资料库，实际上资料库的许多特征都可以从数据库中找到。在资料库中，各类资料都有严格的分类系统和编码表，并存放在规定的资料架上，为管理和查找资料提供了极大的方便。当资料的数据形式存放于计算机时，它已经失去直观性，更需要建立严密的分类和编码系统，实现数据的标准化和规范化。数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户所共享（萨师煊等，2000）。数据库是数据管理的高级阶段。作为文件之上的更高层次的数据组织，数据库并不是众多文件的简单集合，数据库中的文件及其内的数据是有内在联系的；数据库系统透过文件，全面有效地实施数据管理。 　　数据库的基本结构如图1-1所示。*中央为存储的数据体（亦称库存数据），其外为数据管理程序，实施对数据的管理、维护和操作。然后，通过各种应用程序来实现它们与外部的联系，各种输入和输出介质便是实现这种联系的工具。 　　数据库的应用领域相当广泛，从一般事务处理，到各种专门化数据的存储与管理，都可以建立不同类型的数据库。 　　图1-1 数据库的基本结构 　　6. 空间数据库 　　空间数据库是描述与特定空间位置有关的真实世界对象的数据集合，在此，我们把这些对象称为空间参考对象。任何真实世界的对象可能表示成数据库中的对象，但并不是任何对象都和地理位置有关，这取决于我们所要表达的信息模型及应用。只有当对象在数据库中需要考虑其空间位置时，它们才成为空间参考对象，才和空间位置相关。空间数据库既要能处理空间参考对象类型，也要能处理非空间参考对象类型。而如何表示空间或地理现象即空间参考对象的关键是其数据模型。数据模型的设计除与应用有关外，还与提供支持模型的基本概念、方法等有密切联系。空间数据的表示则与计算机表示数据的精度和计算机的存储空间有关。 　　1.1.2 空间数据类型 　　空间数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液，因为GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS的**步于作就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据，并创建空间数据库。 　　GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型，如图1-2所示。 　　图1-2 空间数据类型（黄杏元等，2001） 　　(1)地图数据。来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体问的空间关系直观，实体的类别或属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。 　　(2)影像数据。主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据，构成多源海量数据，也是GIS的*有效的数据源之一。 　　(3)地形数据。来源于地形等高线图的数字化，包括已建立的数字高程模型(DEM)和其他实测的地形数据等。 　　(4)属性数据。来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型，它们各表示的具体内容如下：①类型数据，如考古地点、道路线、土壤类型的分布等。②面域数据，如随机多边形的中心点、行政区域界线、行政单元等。③网络数据，如道路交点、街道、街区等。④样本数据，如气象站、航线、野外样方分布区等。⑤曲面数据，如高程点、等高线、等值区域等。⑥文本数据，如地名、河流名称、区域名称等。⑦符号数据，如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）。 　　1.1.3 空间数据特征 　　1. 时空特征 　　通过大量研究，认为地学信息具有多维结构，如图1-3所示，一般由空间、属性和时间三部分构成，那么对其进行建模就是要对空间、属性和时间三者的提问域和答案域都要作出回答。 　　图1-3 空间数据多维结构[据黄杏元(2001)修改] 　　空间数据的空间特性是指空间实体的空间位置及其与其他空间实体的空间关系，指明地物在地理空间巾的位置，用于回答“Where”提问。空间位置可以用绝对空间位置和相对空间位置来表示。绝对空间位置用来表示地物本身的地理位置，通常用笛卡儿坐标、地理经纬坐标、空间直角坐标(x，y，z)、平面直角坐标和极坐标等表示地理空间实体在一定的坐标参考系中的空间位置。相对空间位置用来表示多个地物之间的位置相互关系，通过距离和方向描述相对于其他参照系或地物的空间位置，如某观测站位于某高地135。方向500m处。空间关系则是地理空间实体之间存在的一些具有空间特性的关系，如拓扑关系、顺序关系和度量关系等。空间特征是空间数据*基本的特征，空间数据记录了地理空间实体对象的空间分布位置和几何形状等空间信息，所以在使用空间数据时首先需要考虑的就是空间特征。 　　属性特性是指地学现象的数量、质量和分类等属性信息，包括用来描述地物的自然或人文属性的定性或定量指标的成分。用于回答“What”和“How”提问。可以用名义量、顺序量、间隔或比率来表示。例如，表述一个城镇居民点，若仅有位置坐标(x，y)，那只是一个几何点，要构成居民点的地理空间数据，还需要经济（人口、产值等）、社会（就业率等）、资源和环境（污染指数等）等属性数据。 　　时态特性指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段，这部分数据称为时态特征数据或时态数据。同一地物的多时段数据，可以动态地表现该地物的发展变化。时态特征数据可以按时间尺度划分为短期（如地震、洪水、霜冻）、中期（如土地利用、作物估产）、长期（如城市化、水土流失）和超长期（如地壳变动、气候变化）等类型。