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1、第5章 空间数据组织与管理,朱 莹,主要内容,空间数据库概述 空间数据管理 空间数据组织 空间索引 空间数据库查询语言,空间数据库概述,数据库基础 数据是描述事物的符号记录，可以是数字形式，也可以是文字、图形、图像、声音、语言等多种表现形式 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，并可为各种用户共享,数据库基础,最常用的数据模型 层次模型（HierarchicalModel） 网状模型（NetworkModel） 关系模型（RelationalModel） 面向对象模型（Object
2、OrientedModel）,非关系模型,数据库基础,空间数据库,地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库）是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；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和 空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的场所 空间数据库系统在整个地理信息系统中占有极其重要的地位，是地理信息系统发挥功能和作用的关键，主要表现在：用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中,空间数据库,空间数据库的特点： 数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是
3、要素的空间位置和空间关系等，其数据量往往很大 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等,空间数据库,空间数据库的组成 栅格数据库 栅格数据包括航空遥感影像数据和DEM数据 矢量数据库 矢量数据则包括各种空间实体数据（图形和属性数据）,空间数据管理,空间数据的基本特征 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，因此数据库应对空间数据建立空间索引 非结构化特征 在关系数据
4、库管理系统中，数据记录中每条记录都是定长的（结构化），数据项不能再分，不允许嵌套记录，空间数据不满足这种定长（结构化）要求，使得空间图形数据难以直接采用通用的关系数据管理系统,空间数据管理,空间数据的基本特征 空间关系特征 空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，还通过拓扑数据结构表达了多种空间关系 拓扑数据结构一方面虽然方便了空间数据查询和空间分析，但另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂度 如拓扑的面状实体仅记录组成它的弧段标识，因而进行查找、显示和分析操作时都需要操作和检索多个数据文件 多尺度与多态性 不同观察比例尺具有不同的尺度和精度，同一地物在不同情况下也会有形态差异
5、如城市在空间上占据一定的范围，在较大比例尺中作为面状空间实体对象，而在较小比例尺中，则作为点状空间对象来处理,空间数据管理,空间数据的基本特征 分类编码特征 每个空间对象都有一个分类编码，这种分类编码往往是按照国家标准，或者行业标准、地区标准来应用 海量数据特征 GIS中数据量非常庞大，远大于一般的通用数据库，称为海量数据 一个城市地理信息系统数据量可达几十GB，如果考虑影像数据的存储，可能达到几百个GB 需要在二维空间上划分块或图幅，在垂直方向上划分层进行数据组织,空间数据管理,通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题： GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支持 DBMS一
6、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 地理信息表达复杂，表达单个地理实体需多个文件、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数据记录需要复杂的安全维护系统，为了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据文件产生错误,空间数据管理,通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题： GIS中空间数据记录是变长的（存储的坐标点的数目随空间对象的变化而变化），而一般数据库都只允许把记录的长度设定为固定长度。另外，在存储和维护空间数据
7、拓扑关系方面，DBMS也存在着缺陷,矢量数据的管理,对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分开组织的 空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的，按照发展的过程，对矢量数据的管理有： 文件/关系数据库混合管理 全关系管理 对象关系数据库管理,矢量数据的管理,文件-关系数据库混合管理 传统GIS软件采用文件与关系数据库混合方式管理空间数据，比较典型的是ArcInfo，有的系统也采用纯文件方式管理空间数据，如MapInfo；即用文件系统管理几何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两者之间通过目标标识或内部连接码进行连接,矢量数据的管理,文件-关系数据库混合管理方式的缺点： 属性数据和图形数据
8、通过ID联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢 数据发布和共享困难 属性数据和图形数据分开存储，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 缺乏表示空间对象及其关系的能力,矢量数据的管理,全关系型数据库管理 图形数据与属性数据都采用现有的关系型数据库存储，使用关系数据库标准连接机制进行空间数据与属性数据的连接,矢量数据的管理,对变长结构的空间几何数据的处理方法： 按照关系数据库组织数据的基本准则，对变长的几何数据进行关系范式分解，分解成定长记录的数据表进行存储 缺点：根据关系模型的分解与连接原则，在处理一个空间对象如面对象时，需要进行大量的连接操作，非常费时
9、 将图形数据的变长部分处理成Binary二进制Block块字段 如Oracle公司引入LongRaw数据类型；Informix版本引入的BLOB（二进制数据块）数据类型；SQLServer引入IMAGE数据类型 缺点：这种存储方式，虽然省去了大量关系连接操作，但二进制块的读写效率要比定长的属性字段慢得多，特别是涉及对象的嵌套，速度更慢,矢量数据的管理,对象-关系数据库管理 对关系数据库管理系统进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据 如Informix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API函数 这些函数将各种中间对象的数据结构
10、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，GIS用户不能将设计的拓扑数据结构采用这种对象-关系模型进行存储,矢量数据的管理,矢量数据的管理,扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据的变长记录的管理，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内用户任意定义，使用上仍受到一定限制 空间数据还包括数字高程模型、影像数据及其他专题数据。虽然利用关系数据库管理系统中的大对象字段可以分块存贮影像和DEM数据，但
11、是对于多尺度DEM数据，影像数据的空间索引、无缝拼接与漫游、多数据源集成等技术还没有一个完整的解决方案,栅格数据的管理,栅格影像不仅包含了属性信息，还包含了隐藏的空间位置信息（即格网的行、列信息），即隐含着属性数据与空间位置数据之间的关联关系 栅格数据的管理包括： 基于文件的影像数据库管理 文件结合数据库影像管理 基于关系数据库管理,文件管理方式,目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是采用文件方式来管理遥感影像数据 遥感影像数据并不是仅仅包含图像数据本身，还包含大量的图像元数据信息（如图像类型、摄影日期、摄影比例尺等），遥感图像数据本身还具有多数据源、多时相等特点 数据的安全性、并发控制和
12、数据共享等都将使文件管理无法应付,文件-数据库管理方式,实施这种方式管理影像数据时，影像数据仍按照文件方式组织管理；在关系数据库中，每个文件都有唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件名称、存储路径等 这种方式管理影像数据，不是真正的数据库管理方式，影像数据并没有放入数据库中，数据库管理的只是其索引 由于影像数据索引的存在，使影像数据的检索效率得到提高,关系数据库管理,基于扩展关系数据库的影像数据库管理是将影像数据存储在二进制变长字段中，应用程序通过数据访问接口来访问数据库中的影像数据。同时影像数据的元数据信息存放在关系数据库的表中 数据库方式管理影像数据的特点： 所有数据集中存储，数据安全，
13、易于共享 方便管理多数据源和多时态数据 支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享 影像数据和元数据集成到一起，方便进行交互式查询,关系数据库管理,数据库方式管理影像数据的特点： 对Client/Server的分布式应用支持较好，网络性能和数据传输速度都有很大提高 影像数据访问只能通过数据库驱动接口访问，有利于数据的一致性和完整性控制 支持异构网络模式，即应用程序和后台数据库服务器可以在不同操作系统平台下运行,空间数据库引擎,采用关系数据库与文件混合管理模式的传统GIS数据库系统技术，在应用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理 用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与属性数
14、据是GIS发展的必然趋势 1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型关系数据库中管理的产品，将其定名为“spatialdatabaseengine”，简称SDE，即为“空间数据库引擎”,空间数据库引擎,之后许多的GIS厂商和数据库厂商纷纷提出自己的商业化的产品和解决方案，比较成熟的有GIS厂商ESRI公司的ArcSDE，MapInfo公司的SpatialWare，数据库厂商Oracle公司的Spatial，Informix公司的SpatialDataBlade等产品和技术 空间数据引擎主要是为解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的
15、数据接口问题 空间数据库引擎主要有两种方式 一种以ESRI与数据库开发商联合开发的空间引擎SDE为代表，可称之为“中间件”方式的空间数据库引擎 另一种空间数据引擎由数据库厂商开发，即“嵌入式”空间数据库引擎,空间数据库引擎,OracleSpatial实际上只是在原来的数据库模型上进行了空间数据模型的扩展，实现的是“点、线、面”等简单要素的存储和检索，它并不能存储数据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一个空间几何网络 ArcSDE解决了这些问题，并利用空间索引机制来提高查询速度，利用长事务和版本机制来实现多用户同时操纵同一类型数据，利用特殊的表结构来实现空间数据和属性数据的无缝集成,空间数据组织,以
16、文件-关系型管理模式为例 图幅数据组织 由于GIS工程涉及范围广（如全市、全省、全国甚至全球），在管理空间数据时必须进行分幅管理（同传统地图分幅） 图幅一般对应一块区域，常见的分幅方式有标准分幅和区域分幅 将一幅或相邻几幅图当作一个工作单元，称之为工作区（workspace）,图幅数据组织,图幅数据组织,工作层被定义为空间数据处理的一个工作单元，工作区由若干工作层组成 工作层在范围上可能与工作区一致，但在垂直方向上则因软件系统不同而名称和定义不同 ARC/INFO的工作层称为coverage，一个coverage就是一个工作目录 MGE的工作层就是一个DGN文件，也称为catalog 在GeoStar中，一个工作层就是一个GDA文件 一个工作层可以是一个逻辑层，也可以是某一个覆盖层 工作层由一种或多种地物类组成，可以根据需要自行定义,图幅数据组织,空间数据的图库管理,当GIS所管理的区域和所要求的比例尺都比较大时，如在城市规划管理信息系统中，数据库包含大量的图幅，涉及多个工作区及很多工作层的数据组织和管理，这时一个GIS系统会包含几百、几千，甚至上万个工作区。GIS软件必须让用户能
