空间数据组织与管理(1)课件

空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 1 地 理 信 息 系 统 概 论第 三 讲 空 间 数 据 组 织 与 管 理 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 2 q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 案空间数据组织与管理 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 3 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 4 数 据 模 型 在 GIS中 的 地 位 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 5 GIS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 Model) 对 象 数 据 模 型 （ Object Data Model) 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 6 CAD模 型 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 7 影 像 数 据 模 型 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 8 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 9 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q不 规 则 三 角 网 ；q区 域 ；q动 态 分 段 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 10 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 ） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 11 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 12 矢 量 数 据 表 达 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 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 矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 13 标 识 码 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 )点 位 字 典 点 : 点 号 文 件线 : 点 号 串面 : 点 号 串 点 号 X Y1 11 222 33 44 n 55 66几 何 位 置矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 14 例 ：1 2 3 45 6 7AB 多 边 形 编 码 坐 标A t123 (X1， Y1)(X2， Y2)B t124 (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AB T123t124 1,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,1 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 15 矢 量 数 据 表 达 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 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 则矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 16 拓 扑 结 构 ： 全 显 式 表 达N1 B2N2N4 N3B3 B4B1A1 A2 A6A5A4A3 A7 A8N5 A8B1 B2 B3 B4A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7N1 N2 N3 N4 N5M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 矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 17 拓 扑 结 构 ： 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 ） ： 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 系矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 18 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矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 19 拓 扑 结 构 ： 拓 扑 关 系 与 数 据 共 享维 护 数 据 的 一 致 性拓 扑 :移 动 结 点无 拓 扑 :移 动 结 点矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 20 拓 扑 结 构 ： 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 -点矢量数据结构（续） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 21 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 22 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 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 23 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 24 0 定 义 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 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 。栅格数据结构 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 25 一 、 栅 格 结 构 有 关 概 念 （ 续 ）2. 像 元 栅 格 单 元 遥 感 影 像 ： MSS 79 79米 SPOT 10 10米 TM 30 30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 ： 640 780 800 600 1024 768 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 26 0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 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 点栅格数据结构 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 27 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 28 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 29 点 线 面 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 30 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 31 栅 格 数 据 结 构 ： 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 地 物 A分 类 较 细 、地 物 斑 块 较 小 AB 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 32 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,A 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 33 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 34 2.链 式 编 码 边 界 链 码 E / 0EN /7N / 6WN / 5W / 4WS / 3 ES / 1S / 23,1,7,0,1,2,3,4,5,6 4,1,6,7,0,1,2,3,4,5 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 35 3.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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 36 3.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， 5 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 37 3.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， 1， A， 2D， 2， A， 3 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 38 3.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， A 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 39 4. 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 40 4. 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 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 M M 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 M 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 41 4. 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， 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 8 M 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 M 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 42 5.四 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 的 属 性 。 最 小 区 域 为 一 个 象 元 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 43 5.四 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 44 5.四 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 M 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 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 M M M M R R M M M 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 45 5.四 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 8 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 M M M M R R M M M 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 46 5.四 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0 1 2 320 21 22 23200 201 202 203 230 231 232 233 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 47 5.四 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 0 1 2 320 21 22 23 200 201 202 203 230 231 232 233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 地 址 包 括 两 个 部 分 ， 即 深 度 和 路 径 。0001属 性 编 码 22位 路 径2n位 深 度4位 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 48 栅 格 数 据 结 构 ： 数 据 分 层土 壤地 貌森 林建 筑 物 Z Y Xl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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 49 栅 格 数 据 结 构 ： 数 据 组 织栅 格 数 据 文 件像 元 1 X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 2 X,Y,属 性 值像 元 2 X,Y,属 性 值 像 元 n X,Y,属 性 值层 n 栅 格 数 据 文 件层 1 多 边 形 1层 2 属 性 值像 元 1坐 标多 边 形 N 像 元 n坐 标层 n 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 50 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 51 a bc345 a bcac距 离 : 7/4 (5)面 积 : 7 (6)几 何 偏 差属 性 偏 差 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 52 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 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 53 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 54 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系q数据模型l层次模型l网络模型l关系模型 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 55 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 56 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 57 标 准 DBMS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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 58 空 间 数 据 库影 像 数 字 高 程 模 型 DEM空 间 对 象图 形 属 性 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 59 GIS的 数 据 管 理 方 法GIS应 用软 件 空 间 及属 性 数据 文 件 GIS应 用软 件 空 间 及 属 性数 据 库扩 展 DBMS以 容 纳 空 间 数 据商 业 数 据 库 GIS应 用软 件 空 间 及 属 性数 据 库用 户 设 计的 数 据 库 GIS应 用软 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 DBMS 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 60 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 61 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 。q GIS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 发数 据 库 开 发 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 62 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 i图 层 j 点 文 件 i线 文 件 i面 文 件 i点 文 件 j线 文 件 j面 文 件 jShape文 件 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 63 用 户 可 以 不 使 用 特 征 码 而 自 己 设 定 标 识 码X X XX X X XXXX大 类 码 小 类 码 一 级 代 码 二 级 代 码 要 素 类型 识 别 位 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 64 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q GIS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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 65 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 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 q GIS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 ） 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 66 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 。 空 间 地 物 点 状 地 物 线 状 地 物 面 状 地 物 复 杂 地 物 电视塔 桥 梁 车 站 道 路 水 管 电力线 建筑物 湖 公 园 矿 山 大 学 县 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 67 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 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 68 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 ， 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 69 吉奥之星 中的空间对象模型 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 70 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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 71 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 72 MBR 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 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 73 空 间 索 引 ： 对 象 范 围 索 引 ID Xmax Xmin Ymax Ymin1 2 3 4 YmaxYmin X minXmax空 间 对 象 集 合123 45 6检 索 窗 口XNYW YEXS XmaxXN OR XminXS OR YmaxYE OR YminYW空 间 对 象 不 被 检 索XEXmax， XminXN ANDYWYmax， YminYE空 间 对 象 被 检 索 XNYW YEXS 23 6 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 74 空 间 索 引 ： 格 网 索 引 P(3,3)=6P(3,1)=4P(3,2)=10 3 41 2 P(2,3=1P(2,1)=7 P(2,2)=83142 头 指 针 ID P1 02 03 04 05 26 07 33 41 23142 8 59 010 9链 指 针 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 75 四 叉 树 空 间 索 引 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 76 R树 和 R+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 。 2021-6-18 空 间 数 据 组 织 与 管 理 (1) 77 R树 索 引