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1、第四讲 空间数据组织与管理第四讲第四讲 空间数据组织与管理空间数据组织与管理 空间信息技术包括空间数据获取、空间数据处理和空间数据应用技术三个部分，而空间数据管理必将成为上述三种技术的基础和核心。 在数据获取过程中，空间数据库用于存贮和管理空间信息及非空间信息；在数据处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。然而，空间数据以其惊人的数据量及其空间上的复杂性，使得空间数据的组织与管理给传统数据库系统带来巨大挑战。 本章主要介绍空间数据库在数据管理组织方式、空间索引、空间查询语言等方面的技术和特点。第一节第一节 空间数据库
2、概述空间数据库概述4.1 数据库基础4.2 空间数据库4.1数据库基础数据库基础数据库的概念数据库是随着计算机的迅速发展而兴起的一门新学科。通俗的讲，数据库是以一定的组织形式存贮在一起的互相有关联的数据的集合。但这种数据集合不是数据的简单相加，而是对数据信息进行重新组织，最大限度的减少数据冗余，增强数据间关系的描述，使数据资源能以多种方式为尽可能多的用户提供服务，实现数据信息资源共享。随着数据信息资源的多用户服务，以及用户对信息数据多种方式（如检索、分类、排序等）访问的需求，人们又研制了数据库管理系统（管理和控制程序软件）第一节 空间数据库概述4.1数据库基础数据库基础数据库的概念数据库的概念
3、数据库是由两个最基本的部分所组成数据库是由两个最基本的部分所组成：一是原始信息数据库，一是原始信息数据库，即描述全部原始要素信息的原始数据，也是数据即描述全部原始要素信息的原始数据，也是数据库系统加工处理的对象；库系统加工处理的对象；二是程序库，二是程序库，即数据库软件，它存放着管理和控制数据的各种程序，是即数据库软件，它存放着管理和控制数据的各种程序，是数据库系统加工处理的手段。数据库系统加工处理的手段。第一节 空间数据库概述数据存储数据库数据管理程序库程序库( (数据库软件数据库软件) )原始信息原始信息数据库数据库数据库的特点数据库的特点4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述两
4、种不同类型的数据库两种不同类型的数据库4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述两种不同类型的数据库两种不同类型的数据库总之，事务管理数据库是通用性较强的数据库，可以把它看作数据库技术入门的基础；空间数据库是具有空间定位特点的数据库，是地理信息系统的重要组成部分，也是我们研究的主要对象。 4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型 主要是指用来管理和存贮空间数据的数据库模型。常用的数据模型有：4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型层次模型层次模型学校学校学生学生系系老师老师课程课程4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据
5、模型层次模型层次模型1 12 24 43 35 56 6a ab bc cd de ef fg g地图地图MMMMabcdcefg1 2 2 3 3 4 4 1 3 43 5 5 6 6 44.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型层次模型层次模型4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型网络模型网络模型 用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，且具有多对多类型的数据组织方法。系，且具有多对多类型的数据组织方法。4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型网络模型网络模型1 12 24
6、43 35 56 6a ab bc cd de ef fg g地图地图MMMMabcdefg1234564.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型网络模型网络模型4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型关系模型关系模型 以记录组或数据表的形式组织数据，以记录组或数据表的形式组织数据，不分层也无指针。不分层也无指针。4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述1 12 24 43 35 56 6a ab bc cd de ef fg g地图地图MM地图地图MM多边形g gd df fc ce eb bc ca a线a a1 12 2b b2 23
7、 3c c3 34 4d d4 41 1e e3 35 5f f5 56 6c c3 34 4g g6 64 4点1 1 1 1x1x1y1y12 2 2 2x2x2y2y23 3 3 3x3x3y3y34 4 4 4x4x4y4y45 5 5 5x5x5y5y56 6 6 6x6x6y6y64.1数据库基础（数据库基础（数据模型数据模型关系模型关系模型）第一节 空间数据库概述数据模型数据模型关系模型关系模型4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型关系模型关系模型 目前关系模型应用最多。面向目标模型正在迅速发展之中4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型
8、数据模型关系模型关系模型4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型关系模型关系模型关键字段关键字段是用来访问表中记录的被特殊定义的字是用来访问表中记录的被特殊定义的字段。它可由段。它可由单个属性或一系列属性单个属性或一系列属性组成。关键字组成。关键字段是独一无二的，并且是不能重复使用的（如土段是独一无二的，并且是不能重复使用的（如土地编号和土地代号等）。地编号和土地代号等）。4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述数据模型数据模型关系模型关系模型关系数据库表的规则关系数据库表的规则1 1、表中的每一个属性必须有一个唯一的名字。、表中的每一个属性必须有一个唯一的名字
9、。2 2、行的顺序不是重要的影响因素。、行的顺序不是重要的影响因素。3 3、任意两个记录、任意两个记录( (行行) )不能完全相同。不能完全相同。4 4、每一个属性应仅包含一个值、每一个属性应仅包含一个值。4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述空间数据库的概念空间数据库的概念地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据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；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，一般是以
10、一系列特定结相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。换句话说，构的文件的形式组织在存储介质之上的。换句话说，空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数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。据的场所。4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述空间数据库与一般数据库的不同空间数据库与一般数据库的不同（1）数据量特）数据量特别别大，地理信息系大，地理信息系统统是一个复是一个复杂杂的的综综合合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间间位置和空位置和空间间关系等，其数据量往往很大；
11、关系等，其数据量往往很大；不不仅仅有地理要素的属性数据（与一般数据有地理要素的属性数据（与一般数据库库中的数中的数据性据性质质相似），相似），还还有大量的空有大量的空间间数据，即描述地理要素数据，即描述地理要素空空间间分布位置的数据，并且分布位置的数据，并且这这两种数据之两种数据之间间具有不可分具有不可分割的割的联联系；系；数据数据应应用广泛，例如地理研究、用广泛，例如地理研究、环环境保境保护护、土地利、土地利用和用和规规划、划、资资源开源开发发、生、生态环态环境、市政管理、道路建境、市政管理、道路建设设等。等。4.1数据库基础数据库基础第一节 空间数据库概述第二节第二节空间数据管理空间数据管
12、理空间数据的基本特征空间数据的基本特征第二节空间数据管理空间数据库构建模式空间数据库构建模式第二节空间数据管理几何和属性数据文件文件管理GIS工具工具文件管理模式矢量数据的管理矢量数据的管理文件管理文件管理第二节空间数据管理用户接口GIS工具管理几何数据的软件商业化DBMS属性数据数据库坐标文件 ID X,Y,Z属性文件 ID 属性拓扑文件 ID Link几何数据数据库混合管理模式：RDBMS+文件矢量数据的管理矢量数据的管理混合管理模式混合管理模式第二节空间数据管理用户接口GIS工具扩展的商业DBMS几何和属性数据数据库坐标文件 IDX,Y,Z拓扑文件 IDLink属性文件 ID属性一体化空
13、间数据库模式1矢量数据的管理矢量数据的管理一体化管理模式一体化管理模式第二节空间数据管理用户接口GIS工具定制的专门DBMS几何和属性数据数据库坐标文件 IDX,Y,Z拓扑文件 IDLink属性文件 ID属性一体化空间数据库模式2矢量数据的管理矢量数据的管理一体化管理模式一体化管理模式第二节空间数据管理矢量数据管理矢量数据管理-不同不同GISGIS平台平台基于文件的空间数据库基于数据库的空间数据库CoveragesCoveragesOracleOracleShapefilesShapefilesOracle with SpatialOracle with SpatialGridsGridsDB
14、2 with its Spatial DB2 with its Spatial TypeTypeTINsTINsInformix with its Informix with its Spatial TypeSpatial TypeImagesImages（各种格式的）（各种格式的）SQL ServerSQL ServerVector Product Format Vector Product Format (VPF) files(VPF) filesPersonal GeodatabasesPersonal Geodatabases（微软的（微软的AccessAccess）CAD CAD 文
15、件文件 Enterprise Enterprise GeodatabasesGeodatabases表（各种格式的）表（各种格式的）第二节空间数据管理矢量数据管理矢量数据管理-空间数据库管理空间数据库管理第二节空间数据管理矢量数据管理矢量数据管理几何数据属性数据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数据库开发关系数据库混合管理方案关系数据库混合管理方案第二节空间数据管理矢量数据管理矢量数据管理属性数据
16、建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；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。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，GenMap等关系数据库混合管理方案关系数据库混合管理方案第二节空间数据管理第二节空间数据管理全关系式数据库管理方案全关系式数据库管理方案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矢量数据管理矢量数据管理第二节空间数据管理全关系式数据库管理方案全关系式数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理空
17、间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属间接存取，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GIS软件：System9，Small World、Geovision 等，数据库Oracle Spatial矢量数据管理矢量数据管理第二节空间数据管理对象关系数据库管理方案对象关系数据库管理方案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）矢量数据管理矢量数据管理第二节空间数据管理对象关系数据库管理方案对象关系数据库管理方案采用对象关系数据模型，对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型；将空间坐标存在变长记录中，解决了空间数据变长记
18、录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高；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记录问题； 建立高效的空间索引；GIS软件：ARCGIS SDE， MapInfo: Spatialware等矢量数据管理矢量数据管理第二节空间数据管理矢量数据管理矢量数据管理-数据管理方法数据管理方法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
19、性数据的DBMS第二节空间数据管理栅格数据的管理栅格数据的管理- -文件管理方式文件管理方式第二节空间数据管理栅格数据的管理栅格数据的管理文件文件-数据库管理方式数据库管理方式影像信息数据库表影像信息数据库表影像名影像名称称块号块号Image001011001Image002011002Image003011003Image004021001Image005021002第二节空间数据管理栅格数据的管理栅格数据的管理关系数据库管理关系数据库管理目前关系数据库系统提供了存储复杂数据类型的能力，使利用关系数据库来管理影像数据成为可能。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
20、中，然后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业存放在关系数据库的表中，二者可以进行无缝管理第二节空间数据管理空间数据库引擎空间数据库引擎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”。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，In
21、formix公司的SpatialDataB1ade等产品和技术。第二节空间数据管理空间数据库引擎空间数据库引擎第二节空间数据管理第三节 空间数据组织数据数据分分区区式式(Data Tiling)(Data Tiling)将大规模区域的数据划分为若干规则或不规则的小区域（工作区）来存储。传统地图也通常采用这一方法来分区记录，它的划分称作图幅 (Map sheet) 。为了不使数据量太大而影响数据读取的效率，也常以分区方式來存储GIS数据。第三节空间数据组织数据数据分分区区式示意式示意图图第三节空间数据组织按图幅组织按图幅组织BR012-5-2BS012-5-1BS012-5-2BR012-5-4
22、BS012-5-3BS012-5-4BR011-5-2BS011-5-2BS011-5-2第三节空间数据组织图幅内空间数据的组织图幅内空间数据的组织工工作作区区行政边行政边界界道道路路水水系系居民居民地地土地覆土地覆盖盖土土壤壤工作区：一个或多个图幅覆盖的范围第三节空间数据组织优缺点：分区式与分层式可同时采用，并不冲突。分区式也是目前大部份商业软件所采用的方法，适合与栅格和矢量数据结构，在数据量大的系统中，分区方法可提高数据存取的效率。图幅或区块间的衔接问题是分区法最大的困扰，尤其在空间数据查询、分析操作时更是这样。图幅内空间数据的组织图幅内空间数据的组织第三节空间数据组织实体方实体方式式(E
23、ntity Based)(Entity Based)以人所认知的实体(Entity)或对象(Object)为组织单元；GIS之精神所在；目前大多GIS都以点、线、面要素为单元，代表二维空间的实体，例如以点代表城市、学校或单位等；以线代表道路、河流、或电力线等；以面代表行政区域、湖泊或地籍宗地等。第三节空间数据组织点号xyP1183.2256.7P2112.098.3P3211.3356.7P4115.4241.3点号名称校长学生人数校园面积(公顷)教师人数P1宁海中学张三26722.12123P2二十九中李四61571.18254P3东南大学附中王五21653.55102P4南师附中林六183
24、12.6395P4P3P1P1空空间数据间数据属性数据属性数据实体方实体方式式(Entity Based)(Entity Based)第三节空间数据组织实体方式的优缺点：该组织法符合人对现实世界空间现象的认知，同时便于与空间关系以及属性数据的联系，而形成所谓的实体关系(Entity-Relationship)数据组织模式，因此适合于空间数据的查询分析和空间关系的推导。可配合分区及分层的方式来建立效率高并符合GIS操作的数据组织方式。由于人对地物或现象的认知或推理會随数据或应用的目的而改变，因此并无固定或标准的程序来把数据以实体的方式组织。第三节空间数据组织实体方实体方式式(Entity Bas
25、ed)(Entity Based)第四节 空间索引空间数据的索引空间数据的索引第四节空间索引1200013000W431400013000120001100010000W41W42W44W45W31W32W33W35W21W22W23W24W25W11W12W13W14W1511000120001300014000100001300014000W3415000空间数据的索引空间数据的索引第四节空间索引q空间索引概念空间索引（Spatial Index）就是指依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据文件，其中包含空间实体的概要信息，如实体的标识符、外接矩形及
26、指向空间实体的指针。空间索引概念空间索引概念第四节空间索引作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引界于空间操作算法和空间实体之间，它通过筛选作用使大量与特定空间操作无关的空间实体被排除，从而提高空间数据查询和提取的速度和效率。GISGIS中引入空间索引的必要性中引入空间索引的必要性第四节空间索引常见空间索引方法常见空间索引方法通常采用自上而下，逐级划分空间的方式来建立索引：通常采用自上而下，逐级划分空间的方式来建立索引：第四节空间索引实体范围索引实体范围索引A查询窗口BCEFD第四节空间索引在记录每个空间实体的坐标时，记录包围每个空间实体的外接矩形的最大最小坐标。在检索空间实体时，根据空间实体的
27、最大最小范围，预先排除那些没有落入检索窗口内的空间实体，仅对那些外接矩形落在检索窗口的空间实体作进一步的判断，最后检索出那些真正落入窗口内的空间实体。这种方法没有建立真正的空间索引文件，而是在存储空间实体的数据文件中增加了外接矩形的最大和最小坐标，它主要依靠空间计算来进行判别。ARCVIEW就是采用实体范围索引的。实体范围索引实体范围索引第四节空间索引IDXmaxXminYmaxYmin1234XmaxXminYminYmax空间实体集合123456检索窗口YNXWXEYSXmaxXEORXminXWORYmaxYNORYminYS空间对象不被检索XWXmax，XminXEANDYSYmax，
28、YminYN空间对象被检索YNXWXEYS236实体范围索引实体范围索引实例实例第四节空间索引格网索引格网索引ARCSDE采用的多级格网索引采用的多级格网索引第四节空间索引2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042GAFDCBPeano码实体7B14F15F25A26F32D33D35D,G37F38D39F48F50F54C55C60C实体Peano码A25-25B7-7C54-55C60-60D32
29、-33D35-35D38-38F14-15F26-26F37-37F39-39F48-48F50-50G35-35实体索引表实体索引表空间索引表空间索引表基于基于Peano码的格网索引码的格网索引格网索引格网索引第四节空间索引基于Peano码的空间索引p将覆盖整个研究区的范围按照一定的规则划分成大小相等的格网，然后记录每个格网内所包含的空间实体，为了便于建立空间索引的线性表，将每个格网按Morton码或称Peano码进行编码，建立Peano码与空间实体的关系，该关系表就成为格网索引文件。 p按格网法对空间数据进行索引时，所划分的格网数不能太多，否则，索引表本身太大而不利于数据的索引和检索。 格
30、网索引格网索引第四节空间索引四叉树空间索引四叉树空间索引5E713G15B4F612141A3D028CPeano码边长实体0014815421121EDAFCB ， G线性四叉树索引第四节空间索引层层1边长边长4层层2边长边长2层层3边长边长10E15GB4F1A128C40D层次四叉树索引5E713G15B4F612141A3D028C四叉树空间索引四叉树空间索引第四节空间索引R R树和树和R R+ +树空间索引树空间索引R树和R+树利用空间实体的外接矩形来建立空间索引；R树空间索引不仅利用单个实体的外接矩形，还将空间位置相近的实体的外接矩形重新组织为一个更大的虚拟矩形；R树空间索引就是按
31、包含实体的矩形来确定的，树的层次表达了分辨率信息，每个实体与R树的结点相联系，这点与四叉树相同。矩形的数据结构为：RECT(Rectangle-ID，Type，Min-X，Min-Y，Max-X，Max-Y)在虚拟矩形与实体的外接矩形重合时，两者的标识符相同。由于虚拟矩形允许再划分，还必须建立不同层次矩形的相互关系：PS(上层虚拟矩形标识符，下层虚拟矩形标识符上层虚拟矩形标识符，下层虚拟矩形标识符)第四节空间索引AFGDECMNLBKJHIDEFGABCLMNHIJKR树索引树索引R R树和树和R R+ +树空间索引树空间索引第四节空间索引FABGD1D2CEFGCED2ABD1R+树的数据结构与R树的相同，但是，对于被分割的下层虚拟矩形或实体外接矩形，还要增加关系表达：DECOMP（原矩形标识符，分割后矩形（原矩形标识符，分割后矩形1的标识符，分割后矩形的标识符，分割后矩形2的标识的标识符）符）R树索引树索引R R树和树和R R+ +树空间索引树空间索引第四节空间索引CELLCELL树空间索引树空间索引第四节空间索引优点克服了R树和R+树空间索引的主要缺点是建立空间索引时易受实体方位的限制，当空间数据层发生旋转或投影变换后，索引区域 不需要重新建立。缺点凸多边形索引区域划分困难；需要数据记录凸多边形区域。CELLCELL树空间索引树空间索引第四节空间索引
