GIS原理-第5章 空间数据管理

GIS原理,长江大学地球科学学院,GIS原理,1绪论2空间数据结构及编码3GIS的数据输入4GIS的数据处理5空间数据管理6空间分析7GIS的输出与数字制图,5空间数据管理,5.1多样性空间数据库5.2图形数据与属性数据的连接方式5.3空间数据的组织5.4空间数据的无缝组织5.5主要GIS软件的比较,5.1多样性空间数据库,空间数据主要包括矢量和栅格数据。现有GIS系统是基于矢量的，具有比较成熟的管理和建立矢量数据库的能力。同时，目前多数GIS软件都可以将数字正射影像数据、遥感数据作为背景与矢量数据、DEM数据进行套合显示。由于遥感影像数据不断增长，现有GIS软件难以组织、调度、存储与管理这样的海量数据，因此开发能对多数据源、多比例尺、多时相影像数据进行统一管理和集成的大型空间数据库管理系统是研究的主要方向。,5.1多样性空间数据库,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、存储和应用的相关联数据的集合。计算机对数据的管理到目前为止，共经历了四个阶段：程序管理阶段，数据和应用程序一同存在。文件管理阶段，数据和应用程序独立。（数据间无明显关系）数据库管理阶段，数据和应用独立（逻辑独立），数据库和存储设备独立（物理独立）。数据库数据之间建立了联系。数据面向操作组织。数据仓库阶段，数据经过重构、融合等，面向主题组织，服务于决策,5.1多样性空间数据库,数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集中、统一地存储和管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且具有较高的数据独立性，能为多种应用服务。,现实世界到数字世界的转换,5.1多样性空间数据库,5.1.1GIS数据库（空间数据库）定义是某区域关于一定地理要素特征的数据集合。与一般数据库相比，空间数据库具有以下特点：数据量特别大具有地理空间数据和属性数据数据应用面相当广,5.1多样性空间数据库,GIS中的数据大多是地理数据，具有类型多样、各类型实体之间关系复杂、数据量大、每个线状或面状地物的字节不等长等特点。因而采用传统的数据库系统管理地理空间数据存在明显的不足:,传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理空间数据是连续的，具有很强的空间相关性。传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系；传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的数据；传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要有大量的空间数据操作和查询。,5.1多样性空间数据库,5.1.2地理空间数据库的数据结构,点记录文件结构,格网结构,多边形结构,拓扑结构,5.1多样性空间数据库,5.1.3地理空间数据库的内容,5.1多样性空间数据库,5.1.4地理空间数据库的设计过程,定义数据库结构,了解用户需求,确定研究区域范围,组织和描述数据,分区,数据输入,5.1多样性空间数据库,5.1.5GIS空间数据库模型目前，大多数商品化的GIS软件都不是采取传统的某一种数据模型，也不是摒弃传统的数据模型，而是采用建立在关系数据库管理系统（RDBMS）基础上的综合数据模型。,5.1多样性空间数据库,5.1.5GIS空间数据库模型空间地物的几何数据模型,5.1多样性空间数据库,5.1.5GIS空间数据库模型空间数据库管理模式（模型）（1）混合结构模式（hybridmodel）基本思想：两个子系统分别存储空间数据和属性数据。记录之间通过关键字联系。在检索时必须同时询问2个子系统，然后将它们的回答结合起来。（很难保证2个存储子系统的数据存储、操作的统一）,属于这种模型的GIS软件：ARC/INFO、MGE、SICARD、GENEMAP,5.1多样性空间数据库,5.1.5GIS空间数据库模型空间数据库管理模式（2）扩展结构模式（extendedmodel）基本思想：采用统一的RDBMS存储空间数据和属性数据，扩展RDBMS的空间管理功能。通常在标准RDBMS上附加空间数据管理层，利用该层将GeoSQL转化成标准的SQL语言。,属于这种模型的GIS软件：SYSTEM9、SMALLWORLD,5.1多样性空间数据库,5.1.5GIS空间数据库模型空间数据库管理模式（3）统一数据模型（integratedmodel）基本思想：不是基于标准RDBMS，而是在开放的DBMS基础上扩展空间数据表达功能，空间扩展部分完全容入DBMS。,属于这种模型的软件：TIGRIS(intergraph)、GEO等,5.2图形数据与属性数据连接方式,5.2.1专题属性作为图形数据悬挂体属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。当然，主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。,（GIS空间数据库实现方式）,5.2图形数据与属性数据连接方式,5.2.2属性数据与图形数据完全独立（完全分开）,可以利用现有的CAD技术和DBS技术，维护难度大，相互操作难度大，CAD中删除一个，必须去找DBS，DBS也必须删除。,同时启动两个系统来回切换,（早期）图形数据与属性数据内部连接方式因为早期的DBMS不能提供高级语言的接口，只能采用数据库操纵语言,5.2图形数据与属性数据连接方式,5.2.3属性数据与图形数据自成体系（混合处理）图形数据和属性数据自成体系，属性数据有其专用的数据库系统，很多情况下是用于事务管理的商业数据库，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能，图形和属性间连接是通过关键字和标识码来连接。相互操作难度较大。例如ARC/INFO中ARC实现用拓扑关系定义了空间数据，INFO实现了用关系数据模型定义属性数据，两者通过内部代码和用户标识码（USERID）作为公共数据项。,5.2图形数据与属性数据连接方式,5.2.3属性数据与图形数据自成体系（混合处理）,（现在）图形数据与属性数据结合的混合处理模式因为接口问题已解决，数据商提供了一个公用的开放型的数据接口。,5.2图形数据与属性数据连接方式,5.2.4属性数据与图形数据结构统一（完全结合）,此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求。CAD中删除一个图元，DBS自动删除。MAPGIS属于这种类型。,5.3空间数据的组织,空间数据是分层进行组织的5.3.1空间数据分层的方法按专题分层按时间序列分层以地面垂直高度分层,5.3空间数据的组织,5.3.2数据组织的分级数据组织的层次有两类分级方法：物理分级：在存储介质上的存储单位，有比特、字节、字、块、桶和卷。逻辑分级：从人的观测角度及描述对象之间的关系，有数据项、记录、文件和数据库。,5.3空间数据的组织,数据库中的数据组织方式一般采用逻辑分级。数据项、数据项组、记录、文件和数据库,数据项组,逻辑数据单位之间的关系,5.3空间数据的组织,5.3.3图幅内的空间数据组织（1）工作区通常将一幅图或几幅图的范围当作一个工作单元或工作区。工作区包含了所有各层的空间数据。工作区通常按范围定义。（2）工作层工作层是空间数据处理的一个工作单位。可包含若干逻辑层。（3）逻辑层具有多个地物类组成。（4）地物类（专题层）具有相同属性和意义的地物组合。,5.3空间数据的组织,5.3空间数据的组织,5.3.4图库的管理划分工作区数据除了按上述纵向划分为层管理外，有时还需要在水平方向划分若干工作区（如ARC/INFO的TILE）。工作区索引建立工作区索引，再在此基础上建立以图幅为单位的二级图幅索引或物理无缝连接的地图。,5.3空间数据的组织,5.3.5数据库中图幅的组织方法GIS中的海量空间数据库是以图幅为单位进行管理的。即按图幅将大区域空间数据进行分割。一般采用经纬线分幅或规则矩形分幅。,经纬线分幅矩形分幅,5.3空间数据的组织,5.3.5数据库中图幅的组织方法GIS中的海量空间数据库是以图幅为单位进行管理的。即在数字化录入和数据编辑等操作时，均是单幅图处理，然后将这些图幅组织到一个空间中。定义空间的组织形式；包括坐标单位、经纬度跨度（用经纬线分幅时）、比例尺、图幅宽高（矩形分幅时）、地图投影类型、椭球体参数等。将图幅逐一入库；输入时需考虑该图幅的文件名和用于确定图幅在库中的位置的纵横向序号（矩形分幅）或左下角经纬度（经纬线分幅）当用户要求按某局部范围进行检索时，系统可对指定范围对应的图幅文件检索；当用户要求按分类要素进行检索时，系统可根据图幅间的邻接关系将所有需要的要素检索出来。,5.3空间数据的组织,5.3.6图幅间被分割目标的组织方式按上述将图幅入库时，还未建立相邻图幅间同一目标的联系。这种联系可以在用户做相邻图幅的拼接时，通过自动或人工方式进行相邻图幅间同一目标的连接，由系统记录这些联系。系统一般以两种方式来组织和管理被分割目标的联系。统一建立与管理整个空间的所有目标的联系只建立与管理被分割目标的联系,5.3空间数据的组织,5.3.6图幅间被分割目标的组织方式整个空间的目标统一组织和管理该方式是建立一个全库索引表，将整个空间的所有目标及其分属的图幅号均放入索引表中。图中表示全库中的目标编号，表示各图幅中的对象编号，在全库索引表中存放的是同一目标在各图幅中的对象个数和编号。,5.3空间数据的组织,5.3.6图幅间被分割目标的组织方式整个空间的目标统一组织和管理该方式除了建立全库索引表外，还应建立一个区域嵌套关系表，如号区嵌套在号区内。该方法优点：简单、明了；缺点：索引表较大，而真正被分割到多个图幅上的目标是少数。,5.3空间数据的组织,5.3.6图幅间被分割目标的组织方式只建立和组织被分割目标的方式该方式是只将被分割的目标放在索引表中。当进行图幅拼接时，每拼接一个目标，就将该目标的信息（包括该目标在两个图幅中的编号）插入索引表中的适当位置。在检索目标时，可根据所要检索的图幅号来查询索引表，从中找出符合要求的完整的目标对象。对索引表中没有的目标，直接查询该图幅中的目标信息即可。,5.4空间数据无缝组织,5.4.1以图幅为建库单元的缺陷查询往往涉及到多幅图或在不同专题间进行地理实体的完整性和一致性难以维护分幅管理对于数据共享和地理实体一级的安全管理增加了难度。,5.4空间数据无缝组织,5.4.2逻辑上的无缝组织Intergraph的MGE，ESRI的ARC/INFO等都能建立无缝GIS地理数据库。能够完成地理数据的几何接边和逻辑接边，但物理上仍然按照图幅的概念进行存储管理，对同一地理实体的多个几何标识进行后台关联处理，对用户来说是不可见的。,5.4空间数据无缝组织,5.4.2物理和逻辑上无缝组织(1)工程和工作区从逻辑上和物理上的无缝组织出发，一个完整的无缝空间数据库可以被看成是一个工程，在工程中地物要保持存储、表达的完整性和一致性，在工程中具有唯一的几何标识和地物标识。工作区是为了方便使用空间数据库，可以说是在应用时的工程的临时子集，可以按规则大小划分，也可以相互嵌套，最大可以为整个工程。工作区可以包括任何区域、任意一层或多层地物。,5.4空间数据无缝组织,5.4.2物理和逻辑上无缝组织(2)数据无缝组织基于客户/服务器结构，突破传统图幅分块，保持地物完整性存放。空间地物的属性数据在工程中统一管理，用关系数据库管理系统进行管理。为了在工程中有效地组织和表达空间实体，可以按照地物大小对其进行