七章空数据库系统的设计与实现

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1、第七章 空间数据库系统的设计与实现地理信息系统设计教程空间数据库系统是空间数据库系统是GISGIS软件设计的核心内容，进行空间软件设计的核心内容，进行空间数据库系统设计的主要任务是确定空间数据库的数据数据库系统设计的主要任务是确定空间数据库的数据模型以及数据结构，并提出空间数据库相关功能的实模型以及数据结构，并提出空间数据库相关功能的实现方案；空间数据库系统实现的主要任务是将设计的现方案；空间数据库系统实现的主要任务是将设计的空间数据库系统的结构体系进行编码实现，并将收集空间数据库系统的结构体系进行编码实现，并将收集来的空间数据入库，建立空间数据库管理信息系统。来的空间数据入库，建立空间数据库

2、管理信息系统。教学提纲一、空间数据 二、空间数据的逻辑预处理 退出退出一、空间数据（一）（一） 空间数据的特征空间数据的特征 （二）（二） 空间数据的规范与标准空间数据的规范与标准 返回返回空间数据有三大基本特征空间特征：包括比例尺、坐标系和投影类型等时间特征属性特征 其中，时间特征和属性特征是一般信息系统中的数据都具有的，而空间特征是空间数据独有的，是空间数据库的宏观定义，建立空间数据库时必须着重考虑。比例尺含义：含义： 指空间数据库入库前原始图件的比例尺。数字化后的地指空间数据库入库前原始图件的比例尺。数字化后的地图可在一定范围内按任意比例尺显示。图可在一定范围内按任意比例尺显示。如何确定

3、？如何确定？ 空间数据库的比例尺通常取决于用户对空间数据的精度空间数据库的比例尺通常取决于用户对空间数据的精度要求及所研究区域的大小。精度要求越高，地图比例尺就要求及所研究区域的大小。精度要求越高，地图比例尺就越大，内容愈详细，数字化工作量和存储量也就越大。越大，内容愈详细，数字化工作量和存储量也就越大。 返回返回坐标系 空间数据库中常用的坐标系有空间数据库中常用的坐标系有地理坐标系地理坐标系和和平面直角坐平面直角坐标系标系。地理坐标系描述：采用经纬度（描述：采用经纬度（,）来确定地球表面上任意一点的来确定地球表面上任意一点的位置。从通过格林威治天文台的子午面向东为东经位置。从通过格林威治天文

4、台的子午面向东为东经（01800180），向西为西经（），向西为西经（01800180）；从赤道面算起，）；从赤道面算起，向北为北纬（向北为北纬（090090），向南为南纬（），向南为南纬（090090）。）。 应用领域：一般应用于空间位置要求很明确的应用领域：一般应用于空间位置要求很明确的GISGIS中。因中。因为经纬度不仅能标示空间对象在地球表面上的位置，还能为经纬度不仅能标示空间对象在地球表面上的位置，还能显示其地理方位以及所处的时区、两地间的时差等。显示其地理方位以及所处的时区、两地间的时差等。 返回返回平面直角坐标系描述：首先定义一个原点（描述：首先定义一个原点（0,00,0）及）及

5、x x，y y轴方向，然后通轴方向，然后通过（过（x,yx,y）值确定某个地理实体的位置。值确定某个地理实体的位置。 应用领域：适用于大比例尺小区域的应用领域：适用于大比例尺小区域的GISGIS应用。因为在该应用。因为在该坐标系中，统计面积、距离量算等较为方便，在测绘中应坐标系中，统计面积、距离量算等较为方便，在测绘中应用较广，如房产测绘等。用较广，如房产测绘等。返回返回投影含义：不同的坐标系可以通过地图投影来建立联系，即含义：不同的坐标系可以通过地图投影来建立联系，即地球表面任一由地理坐标（地球表面任一由地理坐标（,）确定的点，在平面上必确定的点，在平面上必然有一个由平面直角坐标（然有一个由

6、平面直角坐标（x,yx,y）确定的点与它相对应。确定的点与它相对应。如何选择地图投影类型如何选择地图投影类型？ 首先是经纬线形状和变形性质能否满足首先是经纬线形状和变形性质能否满足GISGIS对数据的要对数据的要求；求； 其次是投影的变形要小且分布均匀，使等变形线大致其次是投影的变形要小且分布均匀，使等变形线大致与区域轮廓一致；与区域轮廓一致； 再次就是经纬网形状不复杂，便于识别和投影计算、再次就是经纬网形状不复杂，便于识别和投影计算、转换等。转换等。不同投影类型的比较投影类型投影类型特点特点适用领域适用领域等角投影等角投影方位准确，小区域的图方位准确，小区域的图形能与实地相似形能与实地相似

7、航空、航海、气象、洋流和军事等航空、航海、气象、洋流和军事等方面方面等积投影等积投影 面积正确，方便分析信面积正确，方便分析信息间的对比关系息间的对比关系行行政政区区划划、自自然然或或经经济济区区划划、人人口口密密度度、土土地地利利用用、农农业业、经经济济和和某某种自然现象分布等方面种自然现象分布等方面 等距方位等距方位投影投影距离准确，方便对一定距离准确，方便对一定半径范围进行控制半径范围进行控制城市防空、地震台、雷达站等方面城市防空、地震台、雷达站等方面返回返回空间数据的规范与标准 空间数据的规范与标准包括以下内容：空间数据的规范与标准包括以下内容：空间数据的分类空间数据的分类空间数据的编

8、码标准空间数据的编码标准空间元数据标准空间元数据标准 返回返回分类目的：为了便于计算机存储、编码和检索空间数据。目的：为了便于计算机存储、编码和检索空间数据。分类体系划分是否合理和规范，直接影响到分类体系划分是否合理和规范，直接影响到GISGIS数据的数据的组织以及组织以及GISGIS之间数据的连接、传输和共享，最终影响之间数据的连接、传输和共享，最终影响GISGIS产品的质量。产品的质量。 方法：一般采用宏观的全国分类系统与详细的专业分方法：一般采用宏观的全国分类系统与详细的专业分类系统相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须类系统相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须能归并和综合到高一级

9、的分类系统之中。能归并和综合到高一级的分类系统之中。返回返回编码描述：它是将分类的结果用一种易于被计算机和人识描述：它是将分类的结果用一种易于被计算机和人识别的符号体系表示出来的过程，是人们统一认识、统别的符号体系表示出来的过程，是人们统一认识、统一观点和相互交换信息的一种技术手段。编码的直接一观点和相互交换信息的一种技术手段。编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组有序排列产物是代码，即表示特定信息的一个或一组有序排列的符号。的符号。 原则：原则： 编码按国家的规范和标准执行；编码按国家的规范和标准执行； 杜绝多义性；杜绝多义性； 码位不宜过长。码位不宜过长。*路名序号（数字） 干路

10、序号（数字） 走向序号（数字） 分类码（数字） 方位区码（字符）道路编码方案示例图中所示为某市根据国图中所示为某市根据国家标准，参考北京市家标准，参考北京市（市区）、常州市城市（市区）、常州市城市道路编码的方案确定的道路编码的方案确定的市区道路编码方案。道市区道路编码方案。道路编码由五种道路属性路编码由五种道路属性组成，例如道路编码组成，例如道路编码“ “E123005”E123005”，其中，其中，“ “E”E”代表方位区码，代表方位区码，“1”“1”代表分类码，代表分类码，“2”“2”代表走向序号，代表走向序号，“3”“3”代表干路序号，代表干路序号，“005”“005”代表路名序号。代表

11、路名序号。 返回返回空间元数据定义：指描述空间数据的数据，它描述空间数据集的定义：指描述空间数据的数据，它描述空间数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其它特征。是空间数据交换的基础，也是空间据集的其它特征。是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化的保证，在一定程度上为空间数数据标准化与规范化的保证，在一定程度上为空间数据的质量提供了保障。据的质量提供了保障。 分类：分类： 管理元数据：是对管理元数据：是对GISGIS源数据及其内容、主题、数据源数据及其内容、主题、数据转换和各种操作信息的描述转换和各种操作信息的描述

12、用户元数据：帮助用户查询、理解信息，并了解这用户元数据：帮助用户查询、理解信息，并了解这些数据的组织方式等。些数据的组织方式等。空间元数据理论体系的发展 目前，从整个国际社会来说，还没有成形的元数据理论目前，从整个国际社会来说，还没有成形的元数据理论体系。我国在广泛吸收国际先进标准草案的基础上提出了体系。我国在广泛吸收国际先进标准草案的基础上提出了我们自己的元数据标准建议草案。我们自己的元数据标准建议草案。 该草案由两层组成：该草案由两层组成：第一层目录层：提供的是元数据复合元素和数据元第一层目录层：提供的是元数据复合元素和数据元素素第二层是元数据标准的主体，由八个标准部分和四第二层是元数据标

13、准的主体，由八个标准部分和四个引用部分组成，包括了全面描述空间信息的必选个引用部分组成，包括了全面描述空间信息的必选项、条件必选项以及可选项的内容。项、条件必选项以及可选项的内容。 标标准准部部分分 标识信息标识信息标识空间数据的名称、由谁开发的、是关于哪个区域的、包括的专题、标识空间数据的名称、由谁开发的、是关于哪个区域的、包括的专题、现势性如何、对数据的使用和获取有何限制等现势性如何、对数据的使用和获取有何限制等 数据质量信息数据质量信息 属性精度、逻辑一致性、完备性报告、空间位置精度和垂直精度报告属性精度、逻辑一致性、完备性报告、空间位置精度和垂直精度报告等等 空间数据表示信息空间数据表

14、示信息 空间表示类型、矢量空间表示信息、栅格空间表示类型和影像空间表空间表示类型、矢量空间表示信息、栅格空间表示类型和影像空间表示类型等示类型等 数据集继承关系数据集继承关系 数据源信息、数据源范围和处理步骤等数据源信息、数据源范围和处理步骤等 空间参照信息空间参照信息 空间参照系类型、地理标识码参照系统、水平坐标系统定义和垂直坐空间参照系类型、地理标识码参照系统、水平坐标系统定义和垂直坐标系统定义等标系统定义等 实体和属性信息实体和属性信息 实体类型定义、类型名称、类型标识码、属性定义、属性名称和属性实体类型定义、类型名称、类型标识码、属性定义、属性名称和属性标识码等标识码等 数据集发行信息

15、数据集发行信息 发行部门、发行日期、订购程序等发行部门、发行日期、订购程序等 元数据参考信息元数据参考信息 元数据日期信息、联系地址、限制条件和安全信息等元数据日期信息、联系地址、限制条件和安全信息等 引引用用部部分分 引用信息引用信息 标题、作者、参考时间、出版信息和版本等标题、作者、参考时间、出版信息和版本等 时间范围信息时间范围信息 起始和结束日期等起始和结束日期等 联系信息联系信息 联系人、联系地址和联系单位等联系人、联系地址和联系单位等 地址信息地址信息 国家、省、市、县、邮编、联系电话、电子邮件地址和网址等国家、省、市、县、邮编、联系电话、电子邮件地址和网址等我国元数据标准建议草案

16、主体组成返回返回二、空间数据的逻辑预处理（一）分幅（一）分幅 （二）分层（二）分层 （三）分专题要素（三）分专题要素返回返回分层(纵方向)tile1 tile2 分幅（水平方向）tile3 tile4 tile1 tile2 植被层(Layer1)tile3 tile4 tile1 tile2 水系层(Layer2)tile3 tile4 tile1 tile2 居民地层(Layer3)tile3 tile4 空间数据分幅和分层示意图分幅当GIS空间数据库的比例尺较大时，图幅的范围也就较大，为了便于数据的存储、检索、显示与分析，有必要对整个地图进行分幅。若不进行分幅处理，一个地图幅面将大得惊人

17、，计算机存储和检索的速度将受到很大影响。分幅的方式可以是按矩形，也可以是按行政区划。还可按城市管理分幅（如电信分幅、污水系统分幅、消防分幅等）、交通管理分幅、邮政分幅、环保分幅等。矩形分幅示意图 图中所示为在规划国图中所示为在规划国土样区系统中（修土样区系统中（修文群等，文群等，19991999年），年），采用的按矩形分幅采用的按矩形分幅方法分别按格网大方法分别按格网大小分幅：一是按原小分幅：一是按原有有1:10001:1000的图幅分幅，的图幅分幅，另一种按另一种按1 1平方公里平方公里分幅。分幅。 118500,21000121500,21000MAP1MAP2MAP37207217227

18、23724725MAP4MAP5MAP6648649650651652653MAP7MAP8MAP95765775785795805811180500,18000MAP10336337121500,175001平方公里分幅图1：1000图幅分幅图分幅处理应注意问题分幅可能会带来数据无缝处理的问题，即相邻两幅图之间数据的完整性与一致性问题。在数据分幅处理过程中，应注意以下问题：确定典型用户常用的查询范围；选择适当的数据量，每幅中的数据量应适度；需要经过典型试验以确定最佳方案。返回返回分层描述：分层是在分幅的基础之上进行的，它按地图内容进行划分，不同的内容属于不同的层。目的：更有效地组织和管理空间

19、数据依据：国家相关信息分类标准原则：宜细不宜粗，尽量减少层与层之间的关联分层处理应注意问题按要素类型分层，性质相同或相近的要素应放在同一层。数据与数据之间的关系。如数据的公共边，数据之间的隶属关系等。基础信息数据的分层较细，各种专题信息数据一般放在单独的一层或较少的几层中。考虑用户视图的多样性。分层处理应注意问题（续）分层时应考虑数据与功能的关系，如数据使用频率分层时应考虑数据与功能的关系，如数据使用频率，起主导作用的功能等。起主导作用的功能等。分分层层时时应应考考虑虑更更新新的的问问题题，应应考考虑虑将将变变更更频频繁繁的的数数 据分离出来。据分离出来。 分分层层时时应应顾顾及及数数据据量量

20、的的大大小小，各各层层数数据据的的数数据据量量最最好好比较均衡。比较均衡。 尽量减少冗余数据。尽量减少冗余数据。 分层示例 表中所示为江阴市表中所示为江阴市土地利用规划管理土地利用规划管理信息系统空间数据信息系统空间数据分类表，它是江苏分类表，它是江苏省江阴市土地利用省江阴市土地利用规划管理信息系统规划管理信息系统中对空间数据（土中对空间数据（土地利用规划图）分地利用规划图）分类的初步结果。类的初步结果。装饰图层装饰图层 背景图层背景图层 规划图层规划图层 规划规划_ _饼图饼图 图框图框 规划规划_ _注记注记 规划规划_ _图例图例 玫瑰图玫瑰图 市界市界 镇界镇界 村界村界 耕地耕地 林

21、地林地 园地园地 未利用地未利用地 城镇村工矿城镇村工矿 河流河流 道路道路 特殊用地特殊用地 规划规划_ _林地林地 规划规划_ _园地园地 规划规划_ _农村居民点农村居民点 规划规划_ _道路道路 规划规划_ _铁路铁路 规划规划_ _镇区镇区 规划规划_ _独立工矿用地独立工矿用地 规划规划_ _河流河流 规划规划_ _一般农田一般农田 规划规划_ _基本农田基本农田 返回返回分专题要素 空间数据的另一种组织方式是按专题要素来组织，即根空间数据的另一种组织方式是按专题要素来组织，即根据某部门所感兴趣的对象，如商店、银行、有污染的工厂据某部门所感兴趣的对象，如商店、银行、有污染的工厂等来组织地理实体集合的几何与属性数据，同一层中可能等来组织地理实体集合的几何与属性数据，同一层中可能会有不同种类的地理对象。会有不同种类的地理对象。 返回返回