空间数据组织与管理

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1、地理信息系统概论第三讲 空间数据组织与管理8/24/20242q空间数据结构q矢量、栅格结构对比q空间数据库特点q传统数据库模型及特点q现行空间数据库管理方案空空间间数数据据组组织织与与管管理理8/24/20243什么是数据模型？什么是数据模型？从空间认知角度对现实世界进行抽象建模从而得到空间数据模型GIS的核心问题计算机中的现实世界模型数据模型多种多样，没有最好的通用数据模型8/24/20244数据模型在数据模型在GIS中的地位中的地位8/24/20245GIS数据模型数据模型CAD 、遥感影像模型栅格数据模型(Raster Data Model)矢量数据模型(Vector Data Mod

2、el)对象数据模型（Object Data Model)8/24/20246CAD模型模型8/24/20247影像数据模型影像数据模型8/24/20248影像数据模型和栅格数据模型区别影像数据模型和栅格数据模型区别Image 没有属性数据表，仅一个属性项栅格数据具有属性表，并且可和其他的属性表进行联合运算。应用：影像数据仅作影像处理，而栅格模型可进行空间分析和空间建模8/24/20249矢量数据结构：概念矢量数据结构：概念q矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间 关系来表达空间对象的位置。q 几何对象q点：空间的一个坐标点；q线：多个点组成的弧段；q面：多个弧段组成的封闭多边形；q 高级模型

3、q不规则三角网；q区域；q动态分段8/24/202410矢量数据结构：获取方法矢量数据结构：获取方法q定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）q地图数字化q间接获取l栅格数据转换l空间分析技术（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）8/24/202411矢量数据结构：表达内容矢量数据结构：表达内容q矢量数据自身的存储和管理q几何数据和属性数据的联系q空间对象的空间关系（拓扑关系） 空间表达= 信息结构 + 操作8/24/202412矢量数据表达矢量数据表达简单数据结构简单数据结构0只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称Spaghettie面条结构）0存储：q独立存储：空间对象位置

4、直接跟随空间对象；q点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成0特征l无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询l公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性l多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；l处理嵌套多边形比较麻烦0适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202413标识码标识码属性属性空间对象编码唯一连接几何和属性数据数据库独立编码点: ( x ,y )线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn )面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 )

5、点位字典点: 点号文件线: 点号串面: 点号串点号XY1112223344n5566几何几何 位置位置矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202414例：例：1234567AB多边形编码坐标At123(X1，Y1)(X2，Y2)Bt124(X1 ,Y1)(X6,Y6)点号坐标12345(X1，Y1)(X2，Y2)(X3，Y3)(X4，Y4)多边形编码点号串ABT123t1241,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,18/24/202415矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构0不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系0特点：点是相互独立的，点连成线，线构成面0表达对象：关联

6、关系0表达方式l全显式表达l部分显式表达0拓扑关系物理实现l直接存储l串行指针0拓扑关系与数据共享0采用拓扑关系的原则矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202416拓扑结构：拓扑结构：全显式表达全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202417拓扑结构：拓扑结构：部分显式表达部分显式表达l 用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系n System9（索引式结构）：

7、面-弧 、弧-点n DIME（双重独立编码结构）：弧-点、弧-面l目前商用GIS还没有超出上述四个表格的拓扑关系矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202418拓扑结构：物理实现串行指针面-弧、点-弧：变长记录，不方便直接存储POLYVRT（美国计算机图形及空间分析实验室，多边形转换器）TIGER（美国人口调查局，地理编码和参照系统的拓扑集成）直接存储Arc/Info、GeoStar矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202419拓扑结构：拓扑关系与数据共享维护数据的一致性维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202420拓扑结构：

8、是否需要拓扑结构?q 应用目的l 制图或一般查询，可不要拓扑结构l 空间分析，则应建立拓扑关系q 服务对象和系统数据结构l 面状目标：面-弧、弧-面l 网络目标：点-弧、弧-点矢矢量量数数据据结结构构（续续）8/24/202421矢量数据结构：属性数据表达与组织q属性特征类型l 类别特征：是什么l 说明信息：同类目标的不同特征q属性特征表达l 类别特征：类型编码l 说明信息：属性数据结构和表格q属性表的内容取决于用户q图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记 录号实现。8/24/202422点状对象目标标识目标标识地物编码坐 标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目

9、标标识地物编码坐 标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度保养单位面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性8/24/202423矢量数据结构：特点l用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含l用拓扑关系描述空间对象之间的关系l面向目标操作，精度高，数据冗余度小l与遥感等图象数据难以结合l输出图形质量好，精度高8/24/2024240 定义 栅格结构：栅格结构：以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。每个像元的行列号确定位置，用

10、像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。0 对于栅格数据结构l点：为一个像元l线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。l面：聚集在一起的相邻像元集合。栅栅格格数数据据结结构构8/24/202425一、栅格结构有关概念（续）一、栅格结构有关概念（续）2. 像元栅格单元 遥感影像：MSS 7979米 SPOT 1010米 TM 3030米 QuickBird 0.61 0.61米影像分辨率扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI计算机屏幕分辨率：640780 800600 10247688/24/2024260获取方式：l遥感数据l图片扫描数据l矢量数据转换l手

11、工方式0栅格数据坐标系0栅格数据压缩编码方案0栅格数据的分层0栅格数据的组织方法0栅格数据特点栅栅格格数数据据结结构构8/24/202427象元阵列：反映某一空间分布的系列像元队列，其行、列确定每个像元的空间位置。 8/24/202428象元属性：栅格单元值 地理要素的属性特征 栅格结构的特点：属性明显，定位隐含8/24/202429点线面8/24/202430栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率格网方向8/24/202431栅格数据结构：栅格数据结构：单元值确定单元值确定CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小

12、地物A分类较细、地物斑块较小AB8/24/202432三、栅格数据的编码方法三、栅格数据的编码方法1.直接编码无压缩编码 将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,A8/24/202433三、栅格数据的编码方法（续）三、栅格数据的编码方法（续）2.链式编码边界链码 它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。8/24/2024342.2.链式编码边界链码链式编码边界链码E / 0EN /7N / 6WN / 5W / 4WS / 3ES / 1S / 23

13、,1,7,0,1,2,3,4,5,64,1,6,7,0,1,2,3,4,58/24/2024353.3.游程长度编码游程长度编码所谓游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。游程长度的记录方式有两种 记录每个游程起（迄）列号 记录每个游程像元数8/24/2024363.3.游程长度编码（续）游程长度编码（续） 逐行记录每个游程的迄点列号5，5A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，58/24/2024373.3.游程长度编码（续）游程长度编码（续）记录每个游程象元数5，5A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C

14、，1，A，2D，2，A，38/24/2024383.3.游程长度编码（续）游程长度编码（续）记录每个游程象元数5，52，A3，B1，A3，C1，A1，D2，C2，A8/24/2024394. 4. 块式编码块式编码块式编码是将游程扩大到两维情况，把多边形范围划分成若干具有同一属性的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码的数据结构由初始位置（行列号）、半径和属性代码组成。8/24/2024404. 4. 块式编码（续）块式编码（续）M M R M M M M M1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8M M R M M M M MM M R R M R M MM R R

15、R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M M R R M M MM M R R R R R M8/24/2024414. 4. 块式编码（续）块式编码（续）1，1，2，M；1，3，1，R；1，4，1，M；1，5，1，M；1，6，1，M；1，7，2，M2，3，2，R；2，5，1，M；2，6，1，R3，1，1，M；3，

16、2，1，R；3，5，3，R；3，8，1，M4，1，1，M；4，2，3，R;4，8，1，M5，1，1，M；5，8，1，MM M R M M M M M1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8M M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M M R R M M MM M R R R R R M8/24/2024425.5.四叉树编码四叉树编码四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。四分树将整个图像区域逐步分解为一系列方形区域，且每一个方形区域具有单一

17、的属性。最小区域为一个象元。8/24/2024435.5.四叉树编码（续）四叉树编码（续）区域分割原则： 将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值是否单一决定要不要再分。如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。8/24/2024445.5.四叉树编码（续）四叉树编码（续）M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5

18、6 7 8区域分割方法M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M8/24/2024455.5.四叉树编码（续）四叉树编码（续）在四叉树中，不能再分的结点称为叶子结点，可再分的结点称为树杈结点树杈结点叶子结点1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R

19、R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M8/24/2024465.5.四叉树编码（续）四叉树编码（续）四叉树编码方法NW （0） NE （1）NW （2） SE （3）0层1层2层3层记录每个叶子结点的地址和属性01232021 2223200201202 203 230231 2322338/24/2024475.5.四叉树编码（续）四叉树编码（续）美国马里兰大学四叉树编码方法0层1层2层3层01232021 2223200201202 203230231 232233该方法用二进制（共32位）记录每个叶结点的地址和属性值，其中

20、地址包括两个部分，即深度和路径。000001011000011属性编码 22位路径2n位深度4位8/24/202448栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYXl一个单独的单元只能被赋予一个值，所以，不同的对象和它们的值必须赋予不同的栅格层（Layer），每个层只能处理一个专题(Thesis)。栅格数据库可能包含上百个专题层。l矢量模型中，属性被直接赋予对象8/24/202449栅格数据结构：数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值层n属性值像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2X,Y,属性值像元2X,Y,属性值像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1 多边形1层2属性值

21、像元1坐标多边形N像元n坐标层n8/24/202450栅格数据结构：特点l离散的量化栅格值表示空间对象l位置隐含,属性明显l数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大l几何和属性偏差l面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系8/24/202451abc345abcac距离: 7/4 (5)面积: 7 (6)几何偏差属性偏差8/24/202452矢量栅格数据较比矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为

22、复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时8/24/202453数据结构选择原则q要素还是位置？q可获取的数据q定位要素的必要精度q需要什么类型的要素q需要什么类型的拓扑关联q所需空间分析类型q生产地图类型8/24/202454空间数据管理：空间数据库0 数据库q定义：数据库是为一定目的服务，以特定结构存储的相关联的数据的集合。q特点：l数据独立于应用程序而集中管理l数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联

23、系q数据模型l层次模型l网络模型l关系模型8/24/202455空间数据管理：空间数据库（续）0空间数据库q定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合q特点：l数据量特别大l属性数据和空间数据联合管理l数据应用范围广泛0空间数据库的数据特征q空间特征q非结构化特征q空间关系特征q多尺度与多态性q分类编码特征q海量数据特征8/24/202456传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/相关性不连续相关性小连续较强空间相关性实体类型/空间关系少简单固定多复杂且不固定记录长度结构化等长非结构化不等长查询与操作文字、数字文字数字空间图形8/24/202457标准DBM

24、S存储空间数据的局限性l空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定l在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷l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l不能支持复杂的图形功能l单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持l难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护8/24/202458空间数据库影像数字高程模型DEM空间对象图形属性8/24/202459GIS的数据管理方法GISGIS应用应用软件软件空间及属性数据文件GISGIS应用应用软件软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商

25、业数据库GISGIS应用应用软件软件空间及属性数据库用户设计的数据库GISGIS应用应用软件软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS8/24/202460现行空间数据库管理方案0基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案0基于关系式数据库的空间数据管理方案0基于对象关系式数据库的空间数据管理方案。8/24/202461文件 关系数据库混合管理方案q属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；q几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。q空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。qG

26、IS软件：Arc/Info，MGE，GenMap等几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发语言数据库开发数据库开发8/24/202462不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、面）,将产生不同的Shape文件，同时对每一个要素自动产生一个特征码（FeatureID）。图层图层i图层图层j点文件点文件i线文件线文件i面文件面文件i点文件点文件j线文件线文件j面文件面文件jShape文

27、件8/24/202463用户可以不使用特征码而自己设定标识码XXXXXXXXXX大类码小类码一级代码二级代码要素类型识别位8/24/202464全关系式数据库管理方案q属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理q空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快q属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作qGIS软件：System9，Small World、Geovision等GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间数据库关系表二进制块8/24/202465对象关系数据库管理方案q对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型q

28、解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高q用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储，没有解决数据的嵌套问题 qGIS软件：TIGER，Geo+、Geo Tropics等GIS界面空间数据处理DBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）8/24/202466面向对象的几何抽象类型 GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。8/24/202467面向对象的属性数据模型 GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划

29、分类型。大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。 8/24/202468面向对象数据库系统的实现方式 面向对象的数据模型从概念上将人们对GIS的理解提高到了一个新的高度。 一方面，它巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。另一方面，面向对象数据模型在表达和处理属性数据时，又具有许多独特的优越性。目前，

30、采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三种实现方式： 扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性 扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性 建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS 8/24/202469吉吉奥奥之之星星 中中的的空空间间对对象象模模型型 8/24/202470空间数据索引q空间索引概念空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。常见的空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构。8/24/2

31、02471空间数据索引qGIS中引入空间索引的必要性l工作区建立l查询、显示l数据提取q常见空间索引方法l对象范围索引l格网索引l四叉树索引lR树和R+树索引8/24/202472MBR最小外包矩形(MBR-Minimum Bounding Rectangle)：包围图元，且平行于X，Y轴的最小外接矩形 8/24/202473空间索引：对象范围索引IDXmaxXminYmaxYmin1234YmaxYminXminXmax空间对象集合123456检索窗口XNYWYEXSXmaxXN OR XminXS OR YmaxYE OR YminYW空间对象不被检索XEXmax，XminXN ANDYW

32、Ymax，YminYE空间对象被检索XNYWYEXS2368/24/202474空间索引：格网索引P(3,3)=6P(3,1)=4 P(3,2)=103412P(2,3=1P(2,1)=7 P(2,2)=83142头指针IDP1020304052607334123142375210489168590109链指针8/24/202475四叉树空间索引四叉树空间索引8/24/202476R树和树和R+树树R树是B树向多维空间发展的另一种形式 将空间位置相近的实体的MBR重新组织称为一个更大的虚拟矩形，虚拟矩形可再划分小矩形。R 树是对R树的改进，它允许虚拟矩形可相互重叠。8/24/202477R树索引树索引