（计算机软件与理论专业论文）基于对象关系模型存储gis数据的研究.pdf

浙，i ：大学硕七学位论文 摘要 y 5 8 i 叭 数据是6 i s 数据库中最核心的部分，而数据库的设计与实现则是g i s 系统优 与的前提和关键。选择什么样的数据库作为数据存储和管理的基础，如何利用数 君库系统实现对6 i s 空间数据的管理、如何确保6 i s 数据的完整性和一致性、如 可获得g l s 对空问数据库访问的高效性等等，这些问题都是整个g i s 系统设计中 掏重要环节和核心内容。 本论文x t c i s 的数据结构及其空间数据在关系数据库，对象数据库和关系一 c 寸象数据库中的存储、查询、索引等进行了讨论，得出利j h 对象关系数据库是最 勾方便、有效的方法。 目前最常用的是关系型数据库，它是在一个较低级的层次上，用一系列的表 列和行处理结构化的数据，但在表达非结构化的空问数据方面存在许多缺陷。 使用面向对象的模型存储空问地物是高效、易于理解的，但面向对象型数据 车不支持基于工q k 标准的s q l 语句，同时与其它类型数据库没有良好的兼容关系。 塞限制了它的使用范围与应用前景。 而对象关系数据库将面向对象模型引入到关系数据库中，采脂对象模型的智 挹化对非结构化的空间数据进行有效处理，避开其繁杂的关系操作，不仅仍保留 c 寸s o l 标准的支持，而且扩展到电能对对象数据进行s o 操作。它突破了纯面向对 象数据库的不通用性，以及纯关系数据模型的范式限制，实现了对象操作与关系 某作的优势结合。 o r a c l es p a t i a l 是o r a c l e 8 j 及以上版本数据库为实现快速、高效的储藏、 亭取、分析空间数据而把相关函数和过程集在一起的专用组件。利用o r a c l e ；p a l i a l 可以在单个数据库事例中，实现非结构化、有嵌套关系的空间、属性数 届的统存储和管理。本文研究了o r a c l e 数据库的窄间数据类型的客户端映射。 广展了o r a c l ec + + c l a s s 的功能，设计了卒间存取、查询、索引等操作的扩展 楚库，在g i s 应用程序和数据库之间架设了一座桥梁，使窄间数据和属性数据得 副了有效的管理和使用。 旋键词： g i s 对象一关系模型面向对象模型 o r a c l cs p a t i a l 来“。一。1 师阔意 勿垒文公布 l 浙江大学硕士学位论史 s u m m a r y f o rd a t ai st h ek e r n e lo fg i s ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs p a t i a l d a t a b a s ei st h ep r e e o n d i t i o na n dk e yt ot h ew h o l es y s t e md e s i g n r oc h o o s e w h i c hk i n do fd a t a b a s ef o rt h es t o r a g ea n dm a n a g e m e n to fg i sd a t a ，h o w t or e a l i z et h ed a t am a n a g e m e n tb yu s i n gd a t a b a s es y s t e m ，h o wt om a k es u r e t h ei n t e g r a l i t ya n dc o n s i s t e n c yo fg e o g r a p h i cd a t aa n dh o wt og a i nt h e h i g he f f i c i e n c yo ft h e a c c e s st ot h es p a t i a ld a t a b a s ea r ea 1 1t h ei m p o r t a n t q u e s t i o n st h a tn e e dt o b es o l v e dd u r i n gt h ew h o l es y s t e md e s i g n t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h eg i sd a t as t r u c t u r ea n dt h eg e e g r a p h i cd a t a s t o r a g e i ns e v e r a lk i n d so fd a t a b a s e s y s t e mr d b m s ，o o d b m sa n d o b j e c t r e l a t i o n a ld b m s ( o r d b m s ) ，t h er e s e a r c hc o n c lu d e s t h a tt h em o s t c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n to n ei so r d b m s a tp r e s e n t ，r d b m si st h ew i d e s tu s e dd r m si nt h eg i s i tc a ne a s i l yd e a l n ht h es t r u c t u r e dd a t ab yas e r i e so ft a b l er o w sa n dl i s t s b u tt h e r e i sm u c h l i m i t a t i o ni nt h a to fu n s t r u c t u r e dd a t a 0 nt h ec o n t r a r y o o d b m si se f f i c i e n ta n dc o m p r e h e n s i b l ei ng r a p h i cd a t a s t o r a g e ，b u ti td o n ts u p p o r ts q lb a s e do ni n d u s t r ys t a n d a r d ，a n dn e i t h e r h a v eac o m p a t i b l er e l a t i o n s h i pw i t ho t h e rk i n d so fd b m s t h e s eg r e a t l y r e s t r i c ti t su s i n ga r e aa n df o r e g r o u n d o r d b m sb r i n g so b j e c tm o d e li n t or d b m sa n du s e st h ei n t e l1ig e n to fo b j e c t m o d e lt od e a lw i t hu n s t r u c t u r e ds p a t i a ld a t a s oi ta v o i d sm u l t i f a r i o u s r e l a t i o n a lo p e r a t i o na n dn o to n l yr e m a i n st h es u p p o r tf o rs o ls t a n d a r d ， b u ta l s oe x t e n d st ot h em a n a g e m e n to fo b j e c td a t ab ys o l i tb r e a k st h r o u 【g h t h ei i m i t a t i o no fp u r eo o d b m sa n dt h ef o r m u l ar e s t r i c to fp u r er d b m s o r a c l es p a t i a li st h eo r a c l es p a t i a l g r o u p w a r ef o rf a s td a t am e m o r y 、 a c c e s sa n da n a l y z e t h i s p a p e re x p l o r e st h eo r a c l ed a t a b a s e sc a p a b i l i t y o f s t o r i n g ，m a n a g i n g ，q u e r y i n g t h e s p a t i a ld a t a ，i n c l u d i n go t h e r c a p a b i l i t yo fs u p p o r t i n gi n d e xo ft h es p a t i a ld a t a ，a n dt r a n s f o r m i n gt h e d a t af r o mo n ec o o r d i n a t es y s t e mt oa n o t h e rc o o r d i n a t e s y s t e m k e yw o r d s ：g i so b j e c t r e l a t i o n a lm o d e l o b j e c t o r i e n t e dm o d e l o r a c l es p a t i a l 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 i i 什么是地理信息系统? 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，即g i s ) 是种为了获 取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。 地理信息系统的处理对象是空间实体，其处理过程正是依据空间实体的空间位置 与空间关系进行的，因此在英文文献中，也有用空间信息系统( s p a t i a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 来表达同样的意思的。【l 】 一个g i s 系统，主要包括空间数据输入子系统、空间数据存储与管理子系统、 数据处理与分析子系统、输出子系统。 一个g i s 系统的功能构成：数据输入、存储、编辑；操作运算；数据 查询、检索；应用分析；数据显示、结果输出；数据更新。 g i s 能回答和解决以下五类问题： a 、位置，即在某个地方有什么。位置可以是地名、邮政编码或地理坐标等。 b 、条件，即符合某些条件的实体在哪里。如：在某个地区寻找面积不小于 1 0 0 0 m 2 的不被植被覆盖的，且地质条件适合建大型建筑的区域。 c 、趋势，即在某个地方发生的某个事件及其随时问的变化过程。 d 、模式，即在某个地方的空间实体的分布模式。模式分析揭示了地理实体 之间的空间关系。 e 、模拟，即某个地方如果具备某种条件会发生什么。通过基于模型的分析 实现。 地理信息系统作为传统学科( 地理学、地图学和测量学等) 与现代科学技术 ( 遥感技术、全球定位系统、计算机科学等) 相结合的产物，正逐渐发展成为处 理空间数据的多学科综合应用技术：从计算机技术角度看，其主要是空间数据库 技术；从数据收集角度看，其主要是3 s ( g i s g p s r s ) 技术的有机结合；从应 用角度看，其主体是数据互访和空间分析决策的专门技术；从信息共享的角度看， 其主体是计算机网络技术。 1 2 g i s 的数据特征 在g i s 中的实体数据具有以下特点： ( 1 ) 以统一的坐标系统( 全球的、全国的或局部的) 进行空间定位。 ( 2 ) 空间数据与非空间数据是相互结合的整体。空问几何关系、空问特性 浙江大学硕士学位论文 不准确、不可靠不行，要有一定的分辨率，但没有1 f 空间属性数据，或者不可靠、 不准确，也会影响实际应用，甚至引出谬误。 ( 3 ) 图形数据与图像数据，或者说矢量数据方式与栅格数据方式是并存或 叠合的。 ( 4 ) 实体数据间存在着复杂的关系。 ( 5 ) 实体数据具有时效性，即周期性和时问性，因此g i s 的4 维时空数据 结构和数据模型是实体数据的重要内容。过时的信息不具有现实的意义，但不一 定就没有用，可以作为历史过程保存。 空间数据的特征可以概括为空间特征、属性特征和时间特征。空间特征表示 地理实体或现象的空间位置和相互关系；属性特征表示其名称、分类、数量等； 时间特征指实体或现象随时间的变化。实体空间位置及属性常随时间相互独立的 变化。因此，g l s 是一个动态的复杂的空问数据管理系统。 在g i s 中，为了真实地反映地理实体，不仅要包括实体的位置、形状、大小 和属性，还必须反映实体之间的相互关系。这些关系就是指它们之间的邻接关系， 关联关系和包含关系。 地图上的拓扑关系是指图形保持连续状态r 变形，但图形关系不变的性质。 地图上各种图形的形状、大小会随图形的变形而改变，但是上述三种关系则不会 改变。俗称拓扑关系是绘在橡皮上的图形关系，或者说拓扑关系中不考虑距离函 数。 图卜l ：空间数据的拓扑关系 如图1 1 所示：n i 、n 2 为结点；l l 、l 2 为线段( 弧段) ；p i 、p 2 为面( 多边形) 。 邻接关系：窄问图形中同类元素之间的拓扑关系。例如多边形之间的邻接关 系，p 1 与p 2 ，p l 与p 3 ：又如结点点之间的邻接关系n l 与n 2 ，n l 与等。 关联关系：空间图形中不同元素之间的拓扑关系。例如结点与弧段晌荚联关 浙江大学硕士学位论文 系n 1 与i ，1 、l 3 、l 5 ；多边形与弧段的关联关系p l 与l l 、l 2 、l 3 等。 包含关系：空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系。例如多边形p 1 包含p 4 ：多边形p o 包含p 1 、p 2 、p 3 等。 空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义。因为： ( 1 ) 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系有更 大的稳定性，不随地图投影而变化。 ( 2 ) 利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如某条铁路通过哪些地区， 某县与哪些县邻接。又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源，某湖泊周围 的土地类型及对生物栖息环境作出评价等。 ( 3 ) 可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道 路的选取，进行最佳路径的选择等。 l - 3g i s 的数据存储 因为g i s 其独特的数据特征，g i s 数据的有效存储一直是g i s 研究的难点和 重点。早期的g i s 系统多采用文件方式存放图形数据，而用关系数据库存放属性 数据，造成数据的分离，给数据管理及操作带来很大的困难。同时用文件系统管 理数据量很大的图形库也异常困难。再之后，人们提出利用关系数据库来存储图 形数据，但由于关系数据库自身的特点，f i 能很好表达空间数据，特别是不能直 接再服务器端实现对数据的空间查询等操作，从而不是一种好的解决方案。近年 来，随着计算机硬件技术的发展及面向对象的数据库系统的日趋成熟，研究用面 向对象数据库来存储g i s 数据又成为一大热点。 本文在以下几章里，介绍了g i s 的各种数据结构和数据模型，比较了各自的 优缺点，得出目前最有效的方法是采用对象关系数据库( o r d b m s ) 来存储g i s 数 据，并详细说明了基于o r d b m s 的g i s 数据存储与实现。 短短十年间，g i s 在我国的应用越来越广，但其数据量大、操作不方便，尤 其是前者，一直以来都是其技术应用的一个瓶颈。采用一个好的存储结构和方法 不仅可以使得数据的管理更加有条理，而且数据的操作也会相应快很多，同时也 有利于g i s 的发展，如：w e bg i s 、v rg i s 的实现等。利用o r d b m s 来存储g i s 数据，是一个有效的选择，它实现_ 空间数据和属性数据的一体化存储，克服传 统的g i s 系统中因为属性数据和空间数据分开存放而存在的缺点，从而使空间数 据和属性数据可以得到有效的管理和使用。 浙江大学硕士学位论文 第二章g i s 的数据结构 空间数据结构按存储类型首先可分为栅格数据和矢量数据两大类，在矢量数 据中根据其是否显示包含拓扑关系又进一步分为实体型数据和拓扑数据。随着 g i s 技术的发展，空间数据的存储结构体系中又增加了新的内容。图2 - 1 是g i s 空间数据结构的分类示意图。再下面几节里，将分别介绍这些数据结构。 空 间 数 据 结 构 静态数据结构 实体型数据编码 栅格数据结构 直接栅格编码 链状压缩编码 游程压缩编码 四叉树压缩编码 矢量一体化数据结构 三维数据结构 动态数据结构卜_ 1 变焦数据结构 图2 - 1 ：g i s 空间数据结构分类示意图 2 1 矢量数据结构 八叉树编码 三维游程编码 不规则三角网 四面体格网 矢量数据结构是人们较为习惯的一种表示空问数据的方法。它是指通过记录 地理实体坐标的方式精确地表示点、线、面等实体地空间位鼍和形状。矢量型数 据结构按其是否明确表示地理实体间空问相互关系可分为拓扑型数据结构和实 体型数据两大类。 2 1 1 实体型数据结构 实体型数据结构是最简单的矢量数据结构。在实体型数据结构中，点用一+ 对 ( x ，y ) 辁标对表示，线用两个或两个以e 有序坐标对来表1 ，面是由一条或一 浙江人学硕士学位论文 条以上首尾相连的线( 或弧段) 组成。表2 - 1 是图卜l 的实体型数据( b n a ) 表 不。 多边形顶点数顶点坐标 p l4 x l ，y l ：x 4 ，y 4 ：x 2 ，y 2 ：x l ，y l p 24 x 2 ，y 2 ：x 3 ，y 3 ：x 4 ，y 4 ：x 2 ，y 2 p 34 x 1 ，y 1 ：x 4 ，y 4 ；x 3 ，y 3 ：x 1 ，y 1 p 42 x 5 ，y 5 ：x 5 ，y 5 表2 一l ：实体型数据的表示 用实体型数据结构表示空间数据直观明了，如多边形p l 由4 个顶点组成( 其 中首尾顶点相互重合) ，顶点坐标依次为n i ( x 1 ，y 1 ) 、n 4 ( x 4 ，y 4 ) 、n 2 ( x 2 ，y 2 ) 、 n l ( x 1 ，y 1 ) ，但有以下不足：( 1 ) 相邻多边形的公共边界被存储两次，照成数据冗 余和不一致；( 2 ) 不能显式表达空间实体间的拓扑关系；( 3 ) 不能表示含岛结构的 复杂多边形。 在实际应用中，有代表性的实体型数据结构是a t l a sg r a p h i c s 的b n a 数据 格式。这是一种a s c i i 格式文件，可用各种文本编辑器进行数据录入。 广义的实体型数据结构是指以地理实体为单元的一种空间数据存储结构，其 数据组织方式不显含拓扑关系。因而在实际进行空间数据( 如多边形数据文件) 存储时，首先对多边形顶点单独以随机方式建立坐标文件，然后建立多边形索引 文件，其中包括多边形特征码和多边形顶点序号的字串。下面的索引编码就是这 种编码方法的一例。 2 1 2 索引编码 点号坐标 n 1 x l ，y 1 n 2 x 2 ，y 2 n 3 x 3 ，y 3 n 4 x 4 ，y 4 n 5 x 5 ，y 5 多边形码弧段数弧段序号字串 p 13 l l ，l 2 ，l 3 p 23 l 2 ，l 4 ，l 6 p 33 i 3 ，l 6 ，l 5 p 41 l 7 表2 2 ：点坐标文件表2 - 3 ：多边形一弧段索引文件表 f 弧段号定点数点号字串 il 12xl ，y l ：x 2 。y 2 【，22 x 4 ，y 4 ：x 2 ，y 2 l 32 x l ，y l ：x 4 y 4 。42 x 2 ，y 2 ：x 3 。y 3 浙江大学硕士学位论文 f l 52 x 3 ，y 3 ：x 1 ，y 1 | l 6 2 x 3 ，y 3 ；x 4 ，y 4 ll 7l x 5 ，y 5 表2 - 4 ：弧段一点索引文件 索引编码是对实体型数据结构改进后的一种数据结构。索引编码是先对所有 边形边界点的坐标按顺序建立点坐标文件，再建立多边形一弧段索引文件、弧段一 点索引文件。 表2 2 、2 - 3 、2 - 4 是对图卜1 建立的索引编码文件。 这种数据编码虽然比实体型数据结构增加了两个索引文件，但所有点的坐标 只需存储一次，索引文件中的弧段序号和点序号以定长或不定长的二进制的字符 串存储，这样就可以用随机方式按字节进行存储和检索，从而减少了数据的冗余， 提高对数据文件的访问速度。 但是这种数据结构的拓扑关系仍不明显，不能处理带岛多边形的数据。 2 1 3 拓扑型编码 拓扑型数据结构由弧段坐标文件、节点文件、弧段文件和多边形等系列含 拓扑关系的数据文件组成。节点文件由节点记录组成，存储每个节点的节点号、 节点坐标及与该节点连接的弧段等：弧段坐标文件存储组成弧段的点的坐标：弧 段文件由弧段记录组成，存储弧段的起止节点号和左右多边形号；多边形文件由 多边形记录组成，存储多边形号、组成多边形的弧段号以及多边形的周长、面积 和中心点的坐标。 拓扑编码的弧段文件和多边形文件中都包含有拓扑关系，对拓扑关系的表现 力强。 2 2 栅格数据结构 虽然人们习惯于矢量数据结构组织空间数据，但是栅格数据结构更适合于计 算机的处理与表达。栅格数据结构表示的是不连续的、经量化的近似数据。栅格 数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。由于栅格单元直接记录的 是地理实体的属性值或指向属性的指针，因此其特点是属性明显而位置隐含。 对栅格数据的编码方法，考虑到栅格数据的数据量非常大，冗余数据很多， 必须采取一些压缩数据的编码方法。压缩编码有信息保持编码和信息不保持编码 两种。信息保持编码指编码过程中没有信息损失，通过解码操作可以恢复原来的 信息；信息不保持压缩编码是指为了最大限度地压缩数据，在编码过程中要损失 一部分认为不太重要的信息，解码时这部分信息难以恢复。在g i s 中多采用信息 保持编码，而对于原始遥感影像进行压缩编码时，有时也采用信息不保持的压缩 浙江大学顽+ 学位论文 编码方法。 常用的栅格数据的压缩编码技术有游程压缩编码、链式数据结构、四叉树编 码、分块压缩编码等。 2 2 1 直接栅格编码 直接栅格编码是一种最基本的栅格数据编码，是以行为记录单位按行存储地 理数据的。顾名思义，直接栅格编码就是将数据看作一个数据矩阵，逐行逐个记 录代码数据。可以每行都从左到右，也可以奇数行从左到右而偶数行从右到左。 或者为了特殊目的而采用特殊的方法。 在直接栅格编码文件中，许多记录重复记录着同一属性值( 或其指针) ，即 该文件中存在着大量的数据冗余。当栅格越小，表示的空间数据精度越高时，这 种冗余越严重，因此对栅格数据进行压缩编码显得尤为重要。 2 2 2 游程压缩编码 游程压缩编码( r u n l e n g t he n c o d i n g ) 是将原始栅格阵列中属性值相同的 连续若干个栅格单元映射为个游程，每个游程的数据结构为( a ，p ) 整数对。 其中a 代表属性值或属性值的指针，p 代表该游程屉右端栅格的列号。游程压缩 编码是种无损压缩编码。 这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩效率高，最大限度地保 留了原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索、叠加、合并等操作，因而 这种压缩编码方法得到广泛应用。但对于多边形实体而言，其压缩效率并不很高， 仍有不少冗余。 2 ，2 3 链式数据编码 链式数据编码( c h a i ne n c o d i n g ) 又称弗里曼( f r e e m o n ) 编码，是用从某 一起点开始沿八个基本方向前进地单位矢量链来表示线状地物或多边形地边界。 单位矢量的长度为一个栅格单元的边长或对角线的长度，每个后续点位于前继点 的8 个基本方向之一。 具体编码过程是：起始点的寻找一般足遵从从上到下、从左到右的原则。当 发现没有记录过的点，而且数值也不为零时，就是一条线或边界线的七点。记下 该地物的特征码及起点的行列数；然后按顺时针方向寻迹，找到相邻的等值点， 并按八个方向编码。如遇不能闭合的线段，结束后可以返回到起始点再开始搜寻 卜个线段。已经记录过的栅格单元，可将属性代码置零，以免重复编码。 链式数据编码可以有效压缩栅格数据，特别是对长度、面积、转折方向和凹 凸等的运算能力较强。缺点是对边界做合并和插入等修改，编辑比较困难。这种 编5 q 类似矢量结构，但不具有区域的性质，难以实现区域的空间运算。 浙江大学硕士学位论文 2 2 4 四叉树编码 栅格数据的四叉树压缩编码( q u a r t e r t r e ee n c o d i n g ) 一直是比较热门的 一个研究领域，其基本原理是：将空间区域以2 x 2 ( k 1 ) 的像元阵列按照四 个象限进行逐步分割( 四分割过程，其中k 为分辨率) ，直到子象限的属性值单 调为止。属性值为单调的像元，不论其大小，均作为最后存储单元，形成四叉树 图。四叉树编码是在同一块区域上以大小可变的栅格( 可变分辨率) 对地理要素 进行编码，不同子对象栅格单元的大小与密度同地理要素的分布特征相关。 四叉树编码按编码方式的不同又分为常规四叉树( c o t ) 和线性四叉树( l o t ) 。 常规四叉树的每个节点通常存储6 个量，4 个子节点指针，1 个父节点指针( 根节 点的父节点指针为空，叶节点的子指针为空) 和一个节点值。线性四叉树只存储 叶节点的3 个量，地址、深度和节点值。由于线性四叉树只存储每个叶节点的3 个量，因而数据量比常规四叉树小，应用也较为广泛。 线性四叉树的地址码中隐含有叶节点的位置和深度信息，常用的地址编码方 法是四进制或十进制的m o r t o n 码。 四又树编码的建立有两种方法，即自上而下方式( t o p d o w n ) 和自下而上方 式( d o w n t o p ) 。自上而下方式是先检测全区域，其值不单调时再四分割，直到 所有子象素的属性值单调为止。这种自上而下的分割需要大量的运算，因为一些 已经划分好的区块会被重复检测，因而用这种方法建立四叉树的速度比较慢。 另一种方法是自下而上建立四叉树( d o w n t o p ) 。这种方法是按照一定的顺 序扫描栅格，若相邻四栅格属性值相同，则合并；否则，作为4 个叶节点记录下 来。如此逐层向上检测合并，直到生成根节点。 基于四进制的线性四叉树地址编码方法( d o w n t o p ) ：将十进制的行列号转 换成二进制数表示，然后计算每个栅格单元对应的m o r t o n 码。 基于四进制的线性四又树m o r t o n 码非常直观地表达了四叉树地分割，但大 多数语言不支持四进制变量，需要用十进制地长整型变量来存储，这是一种浪费： 同时线性表地排序过程也要花费较多的时间。在实际运用中，通常采用十进制的 m o r t o n 码( m d 码) 作为线性四叉树的地址码。这种码是从0 到m 的自然数。m = 2 合并的顺序可直接按这种自然码的顺序进行。前后两个码之间的差值即表示 了叶节点的大小( 子区的大小) ，因而也省去了叶节点深度的存储。 2 3 空间数据结构的新技术 2 3 1 三维数据结构 对于空间地物的第= ：维坐标，例如：高程，基于二维的g i s 将其作为属性值 浙江大学硕士学位论文 来处理，如数字地形模型( d t m ) ，这只是一种面三维。对于诸如地f 矿体的分布、 大气流场在某一时刻的状态等，就需要一种能描述真三维的数据结构来表达。g i s 中关于三维空间体系的三维数据结构和四维时空体系的时空数据模型，是进来研 究的热门领域之一。本节仅对能较好描述真三维空间地物的八叉树结构的原理及 其编码予以简单介绍。 八叉数结构是从四叉树结构直接发展而来的，其原理就是将空间区域不断地 分解为八个同样大小的子区域，一直到同一区域的属性单一为止。 八叉树同样可分为常规八叉树和线性八叉树。常规八叉树的节点要记录十个 值。八个指向子节点的指针，一个指向父节点的指针和一个属性值。而线性八叉 树则只需对叶节点编码，省了大量中间节点的存储，每个节点的八个指针也不需 要了；另外线性八叉树还可以依靠定位码( m o r t o n 码) 直接寻址，不必实际去 建立八叉树，存储坐标值。 2 3 2 矢量栅格一体化数据结构 1 ) 基于线性四叉树的一体化数据结构 对于面状空间目标，在矢量数据结构中，主要使用边界弧段米表达；在基于 栅格的g i s 中，一般用元子空间来填充。假设在一个线性目标数字化过程中，恰 好在所经过的栅格内都获得了取样点，这样的数据就具有矢量和栅格双重性质。 一方面它保留了矢量数据的全部特征，另一方面又建立了栅格与地物的对应关 系。因此，可采用填满线性目标路径和充满面状目标空间的表达方法作为一体化 数据结构的基础。 基于线性四叉树的一体化数据结构是利用细分栅格网的方法，来提高点、线 ( 包括面状目标的边界) 数据表达的精度。基于栅格网和细分栅格网都采用四叉 树的编码方法，即将采样点和线性目标与基本格网的交点用两个十进制的m o r t o n 码( m 1 和m 2 ) 表示，简称m 码。m l 表示改点所在的基本格网的地址码，m 2 表示 该点对应的细分栅格网的m o r t o n 码，即将一个x ，y 坐标转换成两个m o r t o n 码。 2 ) 基于栅格条带的一体仡数据结构 这种数据结构的基本逻辑单元是条带，当数据按栅格方式组织时，每个条带 在y 方向有固定的宽度，并对应着一组邻接的线划；每个条带包含有栅格成分， 也有矢量成分，这两种成分用同样哦栅格分辨率进行记录；每个条带的前沿( 最 小y 值) 记录为栅格格式的单个扫描行，并作为条带的索引记录，其中包含每根 线条的标符和交点的x 坐标。所使用的栅格编码模式包含了地图线划在同一个记 录中的所有交点，这样便于在一个条带的栅格部分与矢量部分之间作有效的连 接。条带中其余部分的数据按矢量格式进行记录。在每个条带中所包含的多边形 按扫描行交点顺序以x 增大的方向排列。对于个条带内部的多边形单独列出 柬，在索引记录中所标出的每条线的交点顺序地作为条带中每条矢量线段的端 浙江大学硕士学位论文 点。 2 3 3 动态数据结构 在动态数据结构中，变焦数据结构是1 种典型代表。同前述的静态数据结构 不同，在变焦数据结构中，图形比例尺的变化不是简单的图形尺寸的缩放，而是 伴随着各个物体细节的数量的增减。变焦数据的核心问题是要建立多层存储结 构。 1 ) 物体细节的分层存储 图形曲线综合算法可用来把线段分为树结构，下一层包含着为坐标所反映的 更多的细节，这些细节的坐标是树的更高层内容的中间点。 为了在多种比例尺范围内能快速地检索地图数据，需把地图数据分层存储， 每层包含更高层地中间坐标点。如果一个数据包含着按这种方式划分的曲线，则 只需要按图形输出的比例尺来确定相应的存取级别。这种方法也能以联机方式装 入当前所要使用的数据库。 2 ) 地理数据库的多级变焦 为了给不同的应用提供所需的不同详细程度的空间数据，就要配备必要的机 制，这就是在存储最详细内容的基础上建立二维参考索引。 在二维参考索引中存放各专题要素不同综合级别的数据库地址，即对该矩阵 的每一个节点都有一个空间数据库存在。该方法把线性数据以坐标树的形式进行 存储，使行所检索的曲线的详细程度或综合程度是可变的，这当然取决于所己穿 越的树的深度。树的各层以不同的记录分离存储，当按线段的属性码检索时，只 需要根据所选比例尺，存取足以表示该曲线的那些坐标点。树结构的线性存储与 数据的网格划分能加快数据库信息检索速度。 浙江大学硕七学位论文 第三章g i s 数据模型与数据库 3 1 传统的数据模型 数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织形式表示。每一个具体 的数据库都是由一一个相应的数据模型来定义。每一种数据模型都以不同的数据抽 象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。数据模型的主 要任务就是研究记录类型之间的联系。 传统数据库领域采用的数据模型有层次模型、网络模型和关系模型，其中应 用最广泛的是关系模型。在g i s 中的应用也是如此。 3 1 1 层次模型 层次模型是数据处理中发展较早，技术上也比较成熟的一种数据模型。它的 特点是将数据组织成有向有序的树结构。层次模型由处于不同层次的各个结点组 成。除根结点外，其余各结点有且仅有一个上层结点作为其“双亲”，而位于其 图3 2 ：层次数据模型 浙江大学硕士学位论文 下的较低- 层的若干各结点作为其“子女”。结构巾结点代表数据记录，连线描 述位于不同结点数据f 刚的从属关系( 限定为对多的关系) 。对于幽3 一l 所示的 地图用层次模型表示为图32 所示的层次结构。 层次模型反映了现实世界巾实体问的层次关系，层次结构是众多空问对象的 自然表达形式，并在一定程度上支持数据的重构。但其应用时存在以下问题： ( 1 ) 由十层次结构的严格限制，对仟何对象的查询必须始于其所在层次结 构的根，使得层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询。数据的更新涉及 许多指针，插入和删除操作也比较复杂。母结点的删除意味着其下属所有子结点 均被删除，必须慎用删除操作。 ( 2 ) 层次命令具有过程式性质，它要求用户了解数据的物理结构，并在数 据操纵命令中显式地给出存取途径。 1 n 个点组成的点集 浙江人学顸上学位论义 2l由直线段组成的线 22由弧段组成的线 31由直线段组成的简啦多边形 32由弧段组成的多边形 33正方形 34劂 4n 1由直线和弧段组成的复杂线对象 5n 1 由直线和弧段组成的复杂线对象 表4 2 ：s d o _ e l e m i n f o 取值及其含义 s d oo r d i n a t e s 对象类型用来存储空f b j 对象的坐标数值，其数据类型为 s d o o r d i n a t e a r r a y 变长数组类型。s d oo r a d i n a t ea r r a y 变长数组类型的定义 如下： s d o _ o r d i n a t e s a r r a y ( v a r r a y ( 1 0 4 8 5 7 6 ) o fn u m b e r ) s d o o r d i n a t e a r r a y 变长数组，由几何体元素的坐标组成，而这些坐标的 存储方式在s d oe l e l a _ i n f o _ a r r a y 中已经进行了预定。 第三节利用s p a t i a l 对空问数据进行存储和管理 基于o r a c l es p a t i a l 中s d o g e o m e t r y 对象对上述多种几何元素预定义的数 据结构，我们可以在o r a c l es p a t i a l 中直接利用s d og e o m e t r y 对象进行空间数 据的存储。 本节说明o r a c l e 巾各种地物类型的数据存放原理，以及如f u 把窄间数据插 入到数据库中。本节中的例子用到了多个表，它们的定义如下： 存放点数据的p a r k s 表： c r e a t et a b l ep a r k s ( g i dv a r c h a r ( 3 2 ) ， s h a p em d s y ss d o g e o m e t r y ) ： 在创建空间表之后，更新元数据视图。p a r k s 表的x ，y 坐标范围是0 到1 0 0 ， 精确度为0 0 0 5 ，那么插入u s e r s d og e o mm e t a d a t a 视图中的s q l 语句是： i n s e r ti n t ou s e r s d o _ g e o m m e t a d a t av a l u e s ( p a r k s ，s h a p e ， m d s y s s d 0 d i m a r r a y ( m o s y s s d o d i me l e m e n t ( x ，0 ，1 0 0 ，0 0 0 5 ) ， m d s y s s d 0 一d i me l e m e n t ( y ，0 ，l 0 0 ，0 0 0 5 ) ) ， n u l l ) ： 3 2 浙江人学硕i 。学位论文 存放线数据的r o a d 表用以下的s q l 语句创建： c r e a t et a b i er o a d ( g i dv a r c h a r 2 ( 3 2 ) ， s h a p em d s y s s d o g e o m e t r y ) ： 创建后插入r o a d 表的元数据到元数据视图中： i n s e r ti n t ou s e rs d o _ g e o m _ m e t a d a t av a i ，u e s ( r o a d s ，s h a p e ， m d s y ss d 0d i ma r r a y ( m d s y s s d o d i m e 1 e m e n t ( x ，0 ，1 0 0 ，0 0 0 5 ) ， m d s y s s d o d i me l e m e n t 、( y ，0 ，1 0 0 ，0 0 0 5 ) ) ， n u l l ) ： 4 。3 1 点的存放 插入点数据的s d 0g e o m e t r y 中的各个参数如下： s d o - g t y p e - 2 0 0 1 ，2 表示是二维的：1 表示这是一个单点： s d 0 s r i d - n u i l ：坐标系统i d 为空； s d op o i n t = m d s y s s d o p o i n tt y p e ( 1 2 ， 1 4 ，n u l l ) s d o p o i n t 用 s d o p o i n t t y p e 对象来定义，因为地物是一个点。 由于是点数据，所以s d o e l e m i n f o 和s d o _ o r d i n a t e s 都为空。 插入点数据的s q l 语句为： i n s e r ti n t oda r r a yv a l u e s ( 9 0 m d s y s ，s d 吐g e o r e t r y ( 2 0 0 1 ，n u l l ， m d s y s s d o p o i 盯一t y p e ( 1 2 ，1 4 ，n u l l ) ， n u l l ，n u i i ) ) ) ： 4 3 2 长方形的存放 如果一个地物是长= 方形，那么插入到数据库中的时候各个参数如下： s d o _ g i l y p e 为2 0 0 3 ，表示该地物是一个二维多边形； s d o _ e l e m - i n f o 为( 1 ，1 0 0 3 ，3 ) ，解释值3 表示这是长方形，所以在 s d o o r d i n a t e s 里面只是存放了两个数据，左下和右上，s d o _ o r d i n a t e s 的数据 可以为( i ，i ，5 ，7 ) 。 i n s e r t1 n t oq u a d av a l u e s ( 1 ，q u a d a ， m d s y s s d o g e o m e t y ( 2 0 0 3 ，n u l l ，n u l l ， 浙江大学顾l 学位论文 m d s y s s d o e l e m i n f o a r r a y ( 1 ，1 0 0 3 ，3 ) ， m d s y s s d o _ e l e m - i n f o _ a r r a y ( 1 ，l ，5 ，7 ) ) ) ： 4 3 3 普通多边形的存放： 图4 一l 所示是一个普通的多边形，由8 个顶点组成。其s d og t y p e 的值为 2 0 0 3 一表示维的普通多边形。这早维设置卒唰引用id s d os r i d 的值为 n u l l 。s d op o i n t 的值电为n i j l l 。由丁多边形只有一个元素，所以 s d o e l e m i n f 0 _ a r r a y 数组的值为1 ，1 0 0 3 ，l ，分别代表坐标值从坐标数组的第 。位开始，该多边形的类型为外多边形，由简单元素组成( 点之间用直线连接) 。 p 2p 3 图4 1 ：普通多边形 所以插入数据库的s 0 1 语句如下所示： i n s e r ti n t op a r kv a l u e s ( 2 多边形 m d s y s s d o _ o e o m e t r y ( 2 0 0 3 ，2 维的多边形 n u ，l ，空间引用l d n u l l ，点数据 m d s y s s d o e l e m _ i n f o _ a r r a y ( 1 ，1 0 0 3 ，1 ) ， m d s y s s d o _ o r d i n a t ea r r a y ( 6 ，1 5 ，1 0 ，1 0 ，2 0 ，1 0 ，2 5 ， 1 5 ，2 5 ，3 5 ，1 9 ，4 0 ，6 ，2 5 ，6 ，1 5 ) ) ) ： 4 3 4 带岛的多边形的存放 图4 - 2 中所表示的类型是一个带岛的多边形，外环的坐标点如f 所示：外环 坐标2 p 1 ( 6 ，1 5 ) ，p 2 ( 1 0 ，l o ) ，p 3 ( 2 0 ，1 0 ) ，p 4 ( 2 5 ，1 5 ) ，p 5 ( 2 5 ，3 5 ) ，p 6 ( 1 9 ，4 0 ) ， p 7 ( 1 l ，d 0 ) ，p 8 ( 6 ，2 5 ) ，p 1 ( 6 ，1 5 ) 。内环坐标= h l ( 1 2 ，1 5 ) ，h 2 ( 1 5 ，2 4 ) 。 3 4 塑垩查兰塑一! ：兰垡堡兰 一 环 图42 ：带岛多边形 s d og t y p e 和s d oi n f