地理信息系统空间数据组织与管理PPT课件

1 第5章空间数据组织与管理 2 GIS定义 地理信息系统 GeographicalInformationSystem GIS 是一种特定的十分重要的空间信息系统 它是在计算机硬件 软件系统支持下 对整个或部分地球表层 包括大气层 空间中的地理分布数据进行采集 储存 管理 运算 模拟 分析 显示和描述的技术系统 矢量数据 栅格数据存储到哪里 以何种方式来存储 如何来管理 3 第5章空间数据组织与管理 5 1空间数据库概述5 1 1数据库概述5 1 2空间数据库5 1 3数据库中数据组织层次5 1 4数据间的逻辑联系5 1 5数据库的数据模型5 2空间数据管理5 2 1矢量数据的管理5 3 2栅格数据的管理 4 5 1 1数据库概述 人工管理阶段应用程序与数据之间的关系 1 数据管理技术的发展过程1 人工管理阶段数据不保存应用程序管理数据数据不共享数据不具有独立性2 文件管理阶段3 数据库管理阶段 5 2 文件管理阶段 数据可以长期保存由文件系统管理数据数据共享性差 冗余度大数据独立性差 文件系统阶段应用程序与数据之间的关系 1 数据管理技术的发展过程 6 3 数据库管理阶段 由DBMS管理1 数据结构化2 数据的共享性高 冗余度低 易扩充3 数据独立性较强4 数据由DBMS统一管理和控制 数据库系统阶段应用程序与数据之间的关系 1 数据管理技术的发展过程 7 5 1 1数据库概述 2 建立数据库的目的 为了保存数据 扩展人的记忆 主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物 3 数据库定义 数据库就是为了一定的目的 在计算机系统中以特定的结构组织 存储 管理和应用的相关联的数据集合 数据库是长期储存在计算机内的 有组织的 可共享的数据集合 7 返回 8 5 1 2空间数据库 1 空间数据库的定义地理信息系统的数据库 空间数据库 某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合 空间数据库是存取 管理空间信息的数据库 9 3 空间数据的特征 1 空间特征2 非结构化特征3 空间关系特征4 多尺度与多态性5 分类编码特征6 海量数据特征 一种地物类型对应一个属性数据表文件 多种地物类型共用一个属性数据表文件 组织 拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性 拓扑关系的构建 空间数据数据项变长 对象包含一个或多个对象 需要嵌套记录 一般需要建立空间索引 10 4 传统数据库与空间数据库的比较 返回 11 5 1 3数据库中数据组织层次 分为四级 数据项 记录 文件和数据库 1 数据项 元素 基本项 字段 定义数据的最小单位2 记录 由若干相关联的数据项组成 3 文件 一给定类型的记录的全部具体值的集合 4 数据库 若干文件的集合 数据库是具有特定联系的数据的集合 也可看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合 文件 数据库 返回 12 是指记录与记录之间的联系 1 一对一的联系 1 1 学生 学号2 一对多的联系 1 N 河流 跨河桥梁3 多对多的联系 M N 农作物 地理环境学生 课程 5 1 4数据间的逻辑联系 返回 13 5 1 5数据库的数据模型 传统数据模型 层次模型网状模型关系模型4 面向对象的数据模型其中应用最广泛的是关系模型 14 1 层次数据库模型 HierarchicalModel 是用树形结构来表示实体及实体间联系的模型 它将数据组织成一对多的联系 即一个父记录对应多个子记录 而一个子记录只对应一个父记录 层次关系 一对多 15 1 层次数据库模型 优点 存取方便且速度快结构清晰 容易理解数据修改和数据库扩展容易实现检索关键属性十分方便缺点 结构呆板 数据独立性差插入和删除操作复杂 必须慎用删除操作 处理低层次对象效率低 难以进行反向查询模拟多对多的联系时导致存储数据的冗余不适合于拓扑空间数据的组织 16 2 网络数据库模型 NetworkModel 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 是具有多对多类型的数据组织方式 没有明确的从属关系 17 2 网络数据库模型 优点 能明确而方便地表示数据间的复杂关系 数据冗余小具有一定的数据独立性和共享性缺点 网状结构的复杂 增加了用户查询和定位的困难 需要存储数据间联系的指针 使得数据量增大数据的修改不方便 指针必须修改 不支持层次结构的表达 18 3 关系数据库模型 RelationalModel 关系模型是用二维表来表示实体及实体间联系的模型 它将数据组织成规范化的表格 一个实体由若干关系组成 关系表的集合就构成了关系模型 表而非指针 关系代数和关系运算来操纵数据 二维关系表 19 3 关系数据库模型 优点 结构特别灵活 使用和维护方便具有严密的数学基础和操作代数基础 正反查询方便能搜索 组合和比较不同类型的数据增加和删除数据非常方便缺点 数据库大时 查找满足特定关系的数据耗费时间较多为了用规范化关系描述复杂对象需进行不自然分解对空间关系无法满足 20 标准DBMS存储空间数据的局限性 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在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷一般都难以实现对空间数据的关联 连通 包含 叠加等基本操作不能支持复杂的图形功能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 21 4 面向对象数据库模型 ObjectOrientedModel 面向对象 object oriented OO 的概念起源于程序设计语言 面向对象的编程语言 简称OOPL 强调对象概念的统一 引入对象 类 方法 实例等概念和术语 采用动态联编和单继承性机制 它以OOPL为核心 集各种软件开发工具为一体 建立OO计算环境 配有很强的图形功能和多窗口用户界面 基本出发点 以对象作为最基本的元素 尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题 22 1基本概念 对象 面向对象的基本单位 对象是一个拥有属性 行为和标识符的实体 对象是类的实例 对象的属性和行为在类定义中定义 如电视的属性有 品牌 尺寸 重量等 操作有 收视 选台 音量调节等类 是具有相同属性结构和操作方法的对象的集合 消息 是对象之间通信的手段 用来指示对象的操作 方法 是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述 实例 是由一特定类描述的具体对象 对象具有封装性 继承性和多态性 涉及到分类 classification 概括 generalization 聚集 aggregation 联合 association 继承 inheritance 和传播 propagation 等概念 23 2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 24 3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 如一个大学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 如建筑物可再分成教学楼 实验楼 行政办公楼 图书馆 体育馆 教工住宅 学生宿舍 食堂 后勤服务建筑等子类 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 25 4面向对象数据库系统的实现方式 特点 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 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 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 返回 26 5 2空间数据管理 5 2 1矢量数据的管理5 2 2栅格数据的管理 27 5 2 1矢量数据的管理 对于矢量数据 其位置数据和属性数据通常是分开组织的 基于文件管理文件与关系数据库混合管理全关系型空间数据库管理对象 关系数据库管理面向对象空间数据库管理 28 1 基于文件管理 各个地理信息系统应用程序对应各自的空间和属性数据文件 当两个GIS应用程序需要的数据有相同部分时 可以提出来作为公共数据文件 GIS软件 MapInfo缺点 1 程序依赖于数据文件的存储结构 数据文件修改时 应用程序也随之需要改变 2 以文件形式共享 当多个程序共享一数据文件时 文件的修改 需得到所有应用的许可 不能达到真正的共享 即数据项 记录项的共享 29 2 文件 关系数据库混合管理 两个子系统分别存储和检索空间数据和属性数据 使用一种标识符将两者联系起来属性数据建立在RDBMS上 数据存储和检索可靠 有效 缺点 属性数据和图形数据通过ID联系起来 使查询运算 模型操作运算速度慢 数据分布和共享困难 属性和图形数据分开存储 数据的安全性 一致性 完整性 并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能 缺乏表示空间对象及其关系的能力 GIS软件 Arc Info MGE SICARD GENEMAP等 30 早期 数据库开发 数据库开发 31 3 全关系型空间数据库管理 图形数据与属性数据都采用关系型数据库存储 本质 GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳 管理空间数据的系统功能 特点 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接 数据存取较快属性间接存取效率比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 SmallWorld Geovision等 32 全关系型数据库的本质 用RDBMS管理图形数据有两种模式 a 基于关系模型的方式 图形数据按关系数据模型组织 由于涉及一系列关系连接运算 费时 b 将图形数据的变长部分处理成BinaryBlock字段 多媒体或变长文本 省去大量关系连接操作 但BinaryBlock的读写效率比定长的属性字段慢得多 特别涉及对象的嵌套时 更慢 33 4 对象 关系数据库管理系统 扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据的变长记录的管理 由于由数据库软件商进行扩展 效率要比前面所述的二进制块的管理高得多 许多数据库管理系统的软件商纷纷在关系数据库管理系统中进行扩展 使之能直接存储和管理非结构化的空间数据 如Oracle和Informix等都推出了空间数据管理的专用模块 定义了操纵点 线 面 圆 长方形等空间对象的API函数 用户不能根据GIS要求对其进行再定义 一般不带拓扑关系 但是它仍然没有解决对象的嵌套问题 空间数据结构也不能由用户任意定义 使用上仍然受到一定限制 GIS软件 TIGER Geo GeoTropics等 GIS应用 空间数据管理的专用模块 商用DBMS 空间和属性数据库 扩充实体类型 点 线 面 圆等 34 5 面向对象空间数据库管理 面向对象的空间数据库管理系统允许用户定义对象和对象的数据结构及操作 这样 我们可以将空间对象根据GIS的需要 定义出合适的数据结构和一组操作 面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理 它不仅支持变长记录 而且支持对象的嵌套 信息的继承与聚集 当前已经推出了若干个面向对象数据库管理系统 也出现一些基于面向对象的数据库管理系统的地理信息系统 但由于面向对象数据库管理系统还不够成熟 价格又昂贵 目前在GIS领域还不太通用 相反基于对象 关系的空间数据库管理系统是目前GIS空间数据管理的主流 35 5 2 2栅格数据的管理 影像数据和数字高程模型 DigitalElevationModel DEM 三种方式基于文件的影像数据库管理文件结合数据库影像管理基于关系数据库管理 36 1 文件管理方式 目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是采用文件方式来管理遥感影像数据 缺点 大量的图像元数据信息 如图像类型 摄影日期 摄影比例尺等 需要单独建立文件 多数据源 多时相的遥感图像数据间的关系无法反映 数据的安全性 并发控制和数据共享问题 37 2 文件 数据库管理方式 影像数据仍按照文件方式组织管理 在关系数据库中 每个文件都有唯一的标识号 ID 对应影像信息 如文件名称 存储路径等表5 1影像信息数据库表影像名称块号 Image001011001 Image002011002 Image003011003 Image004021001 Image005021002 38 3 关系数据库管理 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也存放在关系数据库的表中 二者可以进行无缝管理 数据库方式管理影像数据具有以下特点 所有数据集中存储 数据安全 易于共享 较方便管理多数据源和多时态的数据 支持事务处理和并发控制 有利于多用户的访问与共享 影像数据和元数据集成到一起 能方便的进行交互式查询 对Client Server的分布式应用支持较好 网络性能和数据传输速度都有很大提高 影像数据访问只能通过数据库驱动接口访问 有利于数据的一致性和完整性控制 数据不会被随意移动 修改和删除 支持异构的网络模式 即应用程序和后台数据库服务器可以在不同操作系统平台下运行 39 5 3空间数据组织 5 3 1图幅数据组织在管理空间数据时必须进行分幅管理 常见的分幅方式有标准分幅和区域分幅 40 5 3 2空间数据的图库管理 当GIS所管理的区域和所要求的比例尺都比较大时 如在城市规划管理信息系统中 数据库会包含大量的图幅 涉及多个工作区及很多工作层的数据组织和管理在整个区域内进行众多图幅 分区 工作层的调用 图幅拼接和跨图幅的剪切 开窗 跨图幅工作层的漫游 查询 分析和制图等在无缝大地图的方式下 图库管理职能通过有效的分幅 分区 分层的空间索引 以满足用户对具体的局部区域和专题层的操作 检索的需要 图库管理是海量空间数据管理的需要 是大型GIS软件的必备功能 其管理效率是衡量GIS软件优劣的重要指标之一 空间索引和查询机制 41 5 3 3属性数据组织 主要的三种方式如下 与工作层对应的组织方式 一个工作区对应一个属性文件 属性文件建立在工作区目录下 Arc Info采用这种方式 与地物类对应的组织方式 一个地物类文件对应一个属性表 混合方式 42 5 4空间索引 5 4 1对象范围索引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 43 5 4 2格网索引 基本思想是将研究区域用横竖线条划分大小相等和不等的格网 记录每一个格网所包含的空间实体 当用户进行空间查询时 首先计算出用户查询对象所在格网 然后再在该网格中快速查询所选空间实体 44 5 4 3四叉树空间索引 45 5 4 4R树和R 树空间索引 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 在构造虚拟矩形时 虚拟矩形方向与坐标方位轴一致 同时满足以下条件 包含尽可能多的空间实体 矩形间的重叠率尽可能少 允许在每个矩形内再划分小矩形 对这些虚拟的矩形建立空间索引 它含有指向所包围的空间实体的指针 46 简述一种GIS软件的数据存储方式 47 48 6 7元数据 1 元数据的概念元数据 Metadata 关于数据的数据 是关于数据和信息资源的描述性信息 空间元数据 GeospatialMetadata 地理数据和信息资源的描述性信息 它通过对地理空间数据的内容 质量 条件和其他特征进行描述与说明 以便人们有效地定位 评价 比较 获取和使用地理空间数据 重要性 数据是否满足特定要求 怎样转换 处理 解释地理空间数据为需要了解更多信息的用户提供了联系信息 meta 是一希腊语词根 意思是 改变 Metadata 一词的原意是关于数据变化的描述 49 2 元数据的内容 对数据集中各数据项 数据来源 数据所有者及数据生产历史等的说明对数据质量的描述 如数据精度 数据的逻辑一致性 数据完整性 分辨率 源数据的比例尺等对数据处理信息的说明 如量纲的转换等数据转换方法的描述对数据库的更新 集成方法等的说明 50 3 元数据的主要作用 1 帮助用户获取数据 通过元数据 用户可对空间数据库进行浏览 检索和研究等 一个完整的地学数据库除应提供空间数据和属性数据外 还应提供丰富的引导信息 以及由纯数据得到的分析 综述和索引等 这些数据是什么数据 这个数据库对我有用吗 这是我需要的数据吗 怎样得到这些数据 51 3 元数据的主要作用 2 空间数据质量控制 标准部分 数据质量信息元数据中包涵了大量的有关数据质量的信息 通过它可以检查数据质量 元数据也记录了数据处理过程中质量的变化 通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化 52 3 元数据的主要作用 3 在数据集成中的应用 元数据记录了数据格式 空间坐标体系 数据的表达形式 数据类型 数据使用软硬件环境 数据使用规范 数据标准等信息 这些信息在数据集成的一系列处理中 如数据空间匹配 属性一致化处理 数据在各平台之间的转换使用中都是必需的 53 3 元数据的主要作用 4 数据存储和功能实现 元数据系统用于数据库的管理 可以避免数据的重复存储 通过元数据建立的逻辑数据索引可以高效查询检索分布式数据库中任何物理存储的数据 减少用户查询数据库及获取数据的时间 通过元数据可以实现数据库设计和系统资源利用方面开支的合理分配 降低数据库的建设费用 54 4 空间数据元数据的标准 我国地理信息 元数据标准体系 55 1 总体内容 空间元数据标准由两层组成 第一层是目录层 它所提供的信息主要用于对数据集信息进行宏观描述 适合在数字地球的国家级空间信息交换中心或区域以及全球范围内管理和查询空间信息时使用 第二层是空间元数据标准的主体 它由八个基本内容部分和四个引用部分组成基本内容部分包括1标识信息 2数据质量信息 3数据集继承信息 4空间数据表示信息 5空间参考系信息 6实体和属性信息 7发行信息 以及8空间元数据参考信息等八个方面的内容 四个引用部分包括1引用信息 2时间范围信息 3联系信息以及4地址信息 56 2 标准部分 标识信息 IdentificationInformation 是关于地理空间数据集的基本信息 数据生产者对有关数据集的基本信息进行详细的描述 诸如数据集的名称 作者信息 所采用的语言 数据集环境 专题分类 访问限制等 同时用户也可以根据这些内容对数据集有一个总体了解 数据质量信息 DataQualityInformation 是对空间数据集质量进行总体评价的信息 有关数据集的几何精度和属性精度等方面的信息 数据集在逻辑上是否一致以及它的完备性 这是用户对数据集进行判断以及决定数据集是否满足需要的主要判断依据 数据生产者也可以通过这部分内容对数据集质量评价的方法和过程进行详细的描述 57 2 标准部分 数据集继承信息 DatasetHeritageInformation 是建立该数据集时所涉及的有关事件 参数 数据源等的信息 以及负责这些数据集的组织机构信息 对建立数据集的中间过程有一个详细的描述 比如当一幅数字专题地图的建立经过了航片判读 清绘 扫描 数字地图编辑以及验收等过程时 应对每一过程有一个简要描述 使用户对数据集的建立过程比较清晰 也使数据集每一过程的责任比较清楚 空间数据表示信息 SpatialDataRepresentationInformation 是数据集中用来表示空间信息的方式的描述 如空间数据类型 空间数据结构 矢量对象描述 栅格对象描述等内容 它是决定数据转换以及数据能否在计算机上运行的必须信息 利用空间数据表示信息 用户便可以在获取该数据集后对它进行各种处理或分析了 58 2 标准部分 空间参考系信息 SpatialReferenceInformation 是关于空间数据集地理参考系统与编码规则的描述 反映现实世界与地理数字世界之间关系的通道 诸如地理标识码参照系统 水平坐标系统 垂直坐标系统以及大地模型等 可得地理实体转换成数字对象的过程以及各相关的计算参数 使数字信息成为可以度量和决策的依据 实体和属性信息 EntityandAttributeInformation 是关于数据集内容的信息 包括实体类型及其属性 值 域值等方面的信息 详细地描述数据集中各实体的名称 标识码以及含义等内容 以及各地理要素属性码的名称 含义等 59 2 标准部分 发行信息 PublicationInformation 是关于