地理信息系统中空间数据库建立的关键技术.pdf

地理信息系统中空间数据库建立的关键技术 谢 榕 武汉测绘科技大学城市建设学院 430070 摘要 地理数据库是地理信息系统 GIS 的重要基础 地理数据库中对空间数据的组织有其特定的模 式 本文总结并讨论了空间数据库建立中若干关键技术 如空间数据分析 图块结构设计 图层信息组 织 物理设计 空间编码以及数据字典设计等内容 关键词 地理信息系统 空间数据库 一 引言 地理信息系统 GIS 是在计算机硬 软件 支持下对各种地图和空间地理分布信息进行数 据采集 存储 管理 分析和输出的一个综合性 空间型信息系统 GIS中涉及的数据不同于常 规管理信息中的数据 它是具有丰富地理特征 的地理数据的集合 这些数据信息量大 来源复 杂 原始数据不规范 因此如何将这些地理数据 规范化 数字化 建立完整的GIS地理数据库 是GIS建立过程中相当重要的基础工作 只有 在建立地理数据库的基础上才能开展空间查询 和空间分析 地理数据库包括空间数据和属性数据 属 性数据具有与一般事务类数据相同的特征 当 前关系数据库技术日益成熟 适合组织与管理 地理数据库中的属性数据 建立属性数据库 空 间数据库不仅需要把各种地图图形 遥感影像 数据存入计算机 为了能对这些信息进行分析 和处理 往往要根据一些特定的模式来分解地 图要素 因而空间数据库的建立有其特定的模 式 一个好的空间数据库应该是 1 逻辑上和 物理上的地理数据无缝组织 2 数据存取效率 高 3 便于数据库完整性和一致性维护 4 数 据库易于扩充 基于这一目标 下面本文着重探 讨空间数据库建立中若干关键技术 二 空间数据分析 要设计一个空间数据库 首先必须确认数 据库的用户和用途 这是空间数据分析的主要 任务 空间数据分析是整个空间数据库设计中 最重要的步骤之一 是其它各步的基础 1 用户调查 用户调查的目的是确定使用数据库的用户 有哪些 了解各类用户的信息需求和处理要求 从而确定建立空间数据库的最终目标和基本功 能 2 确定研究区域的范围 主要内容有两个方面 一是确定数据的地 理范围 即区域边界 二是确定这一范围内的地 理定位或控制点 3 源数据的获取 为保证数据的实用性和正确性 需要对调 查资料进行认真鉴别和确认 严格检查其数学 精度 如图廓的精度 图面表示的标准性以及地 物间的逻辑一致性 另一方面 在建立空间数据 2 北京测绘 1998年第4期 收稿日期 1998 7 27 库之前 必须将坐标系统转化为统一的坐标系 统 以保证数据的统一 三 空间数据库的逻辑设计 逻辑设计的主要任务是把空间数据分析阶 段所得到的地理数据重新进行分类 组织 如图 1所示 从用户观点描述空间数据库的逻辑结 构 在逻辑设计过程中 分两步进行 一是图块 结构的设计 二是图层信息的组织 图块结构和 层结构是空间数据库从纵 横两个方向的延伸 同时空间数据库是两者的逻辑再集成 图1 空间数据的组织 1 图块结构设计 在空间数据库中 地图以文件形式进行存 放 然后集中存放地图却受到诸多因素的限制 1 磁盘的容量往往是有限的 不可能将数据全 部集中存放在一个数据文件中 2 对地理数据 的查询分析一般是在某个局部范围内展开 如 果数据文件很大 将直接影响到数据的读取执 行速度 2 一旦系统出现故障或用户操作不 慎 将破坏整个地理范围内的数据 不便于对数 据库进行维护 考虑到以上因素 为了在计算机中对大容 量的空间数据进行有效地组织 需要将所研究 的地理区域分割成两块或多块独立的块 如图 2所示 然后对这些图块建立空间索引 图2 图块的划分 图块划分尺寸根据实际需要而定 一般地 图块划分的原则如下 1 按存取频率较高的空 间分布单元划分图块 以提高数据库的存取效 率 2 图块的划分应使基本存储单元具有较为 合理的数据量 数据量过大 会造成查询分析效 率低下 数据量过小 不便于数据管理 3 在定 义图块分区时 应充分考虑未来地图数据更新 的图形属性信息源及及空间分布 以利于更新 和维护 在多数情况下 图块按照地图图幅大小来 划分 如小比例尺地图按经纬线分幅 大比例尺 地图按矩形分幅 由于分幅后会出现某一空间 实体跨越不同图幅 空间实体被分割成若干空 间基本单元情况 因此需要在图幅 空间实体和 空间基本单元之间建立连接关系 这种连接关 系主要通过建立空间索引表来实现 即建立 1 图幅总索引表 记录各个图幅在整个区域的 位置 2 空间实体索引表 记录每个空间实体 在各图幅上的分布 3 基本单元索引表 记录 每一基本单元与邻近八个图幅所连接的图幅号 以及基本单元序号 通过建立空间索引表来保 证空间数据库的无缝连接和有效空间查询 2 图层信息组织 3 1998年第4期 北京测绘 为了提高地图中各个要素的检索速度 便 于数据的灵活调用 更新及管理 在空间数据库 中 往往将不同类不同级的图元要素进行分层 存放 每一层存放一种专题或一类信息 按照用 户一定的需要或标准把某些相关图元要素组合 在一起成为图层 它表示地理特征以及描述这 些特征的属性的逻辑意义上的集合 这样一个 综合地图可包括许多层 第一层描述研究区域 的一类特征 如图3所示 图3 地图分层 在地理数据中 许多要素可以用于构成图 层 一般根据数据之间的逻辑关系把数据组织 成若干层面 在构造图层时 可以考虑到以下策 略 1 根据空间实体的要素类别的不同来划分 图层 地理要素在空间形态上可分为点 线 面 三种要素 构造层的典型做法是将点状 线状和 面状实体分别存放在不同的层上 2 根据专题 来划分图层 同种要素类别的空间实体根据某 种关键属性进行专题划分 每层对应一个专题 包含一种或几种不同的信息服务于某一特定的 用途或目的 3 根据用户使用目的来划分图 层 不同用户所需的信息不同 根据用户的目的 将各专业信息要素分开 以利于用户提取信息 4 另外在具体数据库设计时 图层划分还需要 根据计算机硬件的存储量 处理速度以及软件 的限制来决定 四 空间数据库的物理设计 物理设计的主要任务是使空间数据库的逻 辑结构能在实际的物理存储设备上得以实现 即进行数据库物理结构的设计和物理建库 建 立一个具有较好性能的物理数据库 其关键在 于构造一个数据模型 空间物理数据库采用层次模型组织方式 如图4所示 图中地图作为树的根 表示一个完 整的地理数据库 地图中的地物要保持存储 表 达的完整性和一致性 根据图块的划分原则 将 空间数据分为若干个图幅 图幅构成树的结点 为了在地图中有效地组织和表达空间地理实 体 按照地物的大小对其分级抽取 对不同大小 地理的集合对象表示进行整理分层 层中每种 类型的要素均由不同的文件来定义 每种要素 构成树的叶结点 由此形成内部空间索引系统 图4 空间数据库的物理结构 该层次模型是以记录类型为结点的有向 树 结点记录之间具有一定的从属关系 如果把 层次模型中的记录按照从上到下 从左到右的 顺序排列就得到一个记录序列 因此物理上可 以通过层次顺序和路径查找记录实现该层次模 型 具体地 物理建库的一般过程为 1 建立 图块工作区 2 建立空间数据库的库体框架 3 建立层框架 4 数据采集 入库 五 空间编码 要建立空间数据库的有效空间索引机制 必须建立起分层格网与空间关系的函数表达 即对每个分层格网进行有效地空间编码 在进 4 北京测绘 1998年第4期 行编码时 就考虑到 1 各层格网编码具有唯 一性 2 能有效地表达空间位置 3 能区分各 个层次关系 4 空间编码具有可扩展性 目前 常见的空间编码方法有 基于四进制的M orton 编码方法 基于十进制的M orton编码方法以 及二维行程编码方法 一种更有效的方法是 细分格网 编码方 法 所谓细分格网 就是在点 线目标通过的基 本格网内 再细分成256 256个细格网 精度 要求不高时 可细分成16 16个细格网 然后 记录采样点及线状目标与基本格网边的交点的 线性四叉树编码 这样点状目标或线状目标的 路径就可以完整而精确地表示出来 应用细分 格网法 每个点的位置用两个M orton码来表 示 M 1 M 2 其中M 1为该点在基本格网中 的地址码 M 2为该点在细分格网中的地址码 采用这种方法能提高数据的位置表达精度 六 数据字典设计 数据字典是数据库设计的重要内容 它描 述数据库中数据属性与组成描述性信息 用于 记录空间数据分类和编码的意义 包括每一数 据类型的编码 名字 意义 描述 来源 用途以 及与其它数据的联系等内容 空间数据库的数 据字典具有层次结构 它由一系列相关文件构 成 每一层中的数据内容包括层目录 项目录和 编码等描述 其结构如图5所示 图5 数据字典的层次结构 参考文献 1 刘纪平 1 海量空间数据组织与管理初探 1 中 国图象图形学报 11998 6 2 李爱勤 龚健雅 李德仁 1 大型GIS地理数据 库的无缝组织 1 地理信息世界 11998 1 3 陈艳 1 城市地理信息系统地形图数据库的建 立 1 江苏测绘 11996 2 4 黄杏元 汤勤 1 地理信息系统概论 1 北京 高 等教育出版社 11990 5 龚健雅 1 整体SIS数据组织与处理方法 1 武 汉 武汉测绘科技大学出版社 1993 上接45页 测绘仪器的机会 二是组织学生到 有关科研生产部门参观学习 或者拍摄测绘先 进仪器使用的教学录像片 辅助实验课的教学 集中二周的教学实习是为了巩固和深化课 堂所学知识并使其系统化的过程 是学生综合 能力培养的重要环节 实习场地的选择应注意 产学结合 具有代表性及典型性 通过测量实 习 培养学生地形测量 控制测量和工程测量的 能力 培养学生良好的职业道德 具有团结协 作 吃苦耐劳的