空间数据组织与管理.ppt
6/23/2023,1,第四讲 空间数据组织与管理,地 理 信 息 系 统,南京晓庄学院生物化工与环境工程学院,6/23/2023,Page 2,第四讲 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。,6/23/2023,Page 3,第一节 空间数据库概述,4.1 数据库基础4.2 空间数据库,6/23/2023,Page 4,4.1 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,6/23/2023,Page 5,4.1 数据库基础,数据库的概念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，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；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(数据库软件),原始信息数据库,6/23/2023,Page 6,数据库的特点,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 7,两种不同类型的数据库,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 8,两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,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 9,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,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 10,数据模型层次模型,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 11,数据模型层次模型,地图M,a,b,c,d,c,e,f,g,1,2,2,3,3,4,4,1,3,4,3,5,5,6,6,4,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 12,数据模型层次模型,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 13,数据模型网络模型,用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，且具有多对多类型的数据组织方法。,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 14,数据模型网络模型,地图M,M,a,b,c,d,e,f,g,1,2,3,4,5,6,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 15,数据模型网络模型,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 16,数据模型关系模型,以记录组或数据表的形式组织数据，不分层也无指针。,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 17,地图M,地图M,多边形,g,d,f,c,e,b,c,a,线,点,4.1 数据库基础（数据模型关系模型）,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 18,数据模型关系模型,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 19,数据模型关系模型,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,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 20,数据模型关系模型,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 21,数据模型关系模型,关键字段是用来访问表中记录的被特殊定义的字段。它可由单个属性或一系列属性组成。关键字段是独一无二的，并且是不能重复使用的（如土地编号和土地代号等）。,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 22,数据模型关系模型,关系数据库表的规则,1、表中的每一个属性必须有一个唯一的名字。2、行的顺序不是重要的影响因素。3、任意两个记录(行)不能完全相同。4、每一个属性应仅包含一个值。,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 23,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，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，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。,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 24,空间数据库与一般数据库的不同,（1）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。,4.1 数据库基础,第一节 空间数据库概述,6/23/2023,Page 25,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 26,空间数据的基本特征,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 27,空间数据库构建模式,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 28,文件管理模式,矢量数据的管理文件管理,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 29,混合管理模式：RDBMS+文件,矢量数据的管理混合管理模式,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 30,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,拓扑文件,属性文件,一体化空间数据库模式1,矢量数据的管理一体化管理模式,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 31,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,拓扑文件,属性文件,一体化空间数据库模式2,矢量数据的管理一体化管理模式,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 32,矢量数据管理-不同GIS平台,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 33,矢量数据管理-空间数据库管理,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 34,矢量数据管理,早期,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,数据库开发,数据库开发,关系数据库混合管理方案,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 35,矢量数据管理,属性数据建立在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,第二节 空间数据管理,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 36,全关系式数据库管理方案,矢量数据管理,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 37,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,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 38,对象关系数据库管理方案,矢量数据管理,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 39,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,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 40,矢量数据管理-数据管理方法,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 41,栅格数据的管理-文件管理方式,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 42,栅格数据的管理,文件-数据库管理方式,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 43,栅格数据的管理,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,6/23/2023,Page 44,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“spatial database engine”，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，Informix公司的Spatial Data B1ade等产品和技术。,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 45,空间数据库引擎,第二节 空间数据管理,6/23/2023,Page 46,第三节 空间数据组织,6/23/2023,Page 47,数据分区式(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,6/23/2023,Page 48,数据分区式示意图,第三节 空间数据组织,6/23/2023,Page 49,按图幅组织,第三节 空间数据组织,6/23/2023,Page 50,图幅内空间数据的组织,工作区：一个或多个图幅覆盖的范围,第三节 空间数据组织,6/23/2023,Page 51,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,第三节 空间数据组织,6/23/2023,Page 52,实体方式(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,6/23/2023,Page 53,空间数据,属性数据,实体方式(Entity Based),第三节 空间数据组织,6/23/2023,Page 54,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,实体方式(Entity Based),6/23/2023,Page 55,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 56,空间数据的索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 57,空间数据的索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 58,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、外接矩形及指向空间实体的指针。,空间索引概念,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 59,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。,GIS中引入空间索引的必要性,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 60,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：,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 61,实体范围索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 62,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,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 63,XmaxXE OR XminXW OR YmaxYN OR YminYS空间对象不被检索,XWXmax，XminXE ANDYSYmax，YminYN空间对象被检索,实体范围索引实例,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 64,格网索引,ARCSDE采用的多级格网索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 65,实体索引表,空间索引表,基于Peano码的格网索引,格网索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 66,基于Peano码的空间索引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。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。,格网索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 67,四叉树空间索引,线性四叉树索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 68,层次四叉树索引,四叉树空间索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 69,R树和R+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),第四节 空间索引,6/23/2023,Page 70,R树索引,R树和R+树空间索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 71,R+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1的标识符，分割后矩形2的标识符）,R树索引,R树和R+树空间索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 72,CELL树空间索引,第四节 空间索引,6/23/2023,Page 73,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。,CELL树空间索引,第四节 空间索引,
