第7讲_空间数据管理

1、环境信息系统环境信息系统 重庆三峡学院重庆三峡学院环化环化学院学院 GIS 1 绪论绪论 2 地理空间地理空间 3 空间表达空间表达 4 GIS的数据获取与处理的数据获取与处理 5 空间数据管理空间数据管理 6 空间分析空间分析 7 GIS的输出与数字制图的输出与数字制图 5 5 空间数据管理空间数据管理 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 5 5.2 .2 空间数据的组织空间数据的组织 5.5.3 3 空间空间信息查询信息查询 4 地理信息系统与一般管理信息系统的比较地理信息系统与一般管理信息系统的比较 (一一)两者区别两者区别 1）在硬件上在硬件上，为了处理图形和图像数据，系统需要配，为

2、了处理图形和图像数据，系统需要配 置专门的输入和输出设备，如数字化仪、绘图机、图形置专门的输入和输出设备，如数字化仪、绘图机、图形 图像的显示设备等；许多野外实地采集和台站的观测所图像的显示设备等；许多野外实地采集和台站的观测所 得到的资源信息是模拟量形式，系统还需要配置模得到的资源信息是模拟量形式，系统还需要配置模 数转换设备，这些设备往往超过中央处理机的价格，体数转换设备，这些设备往往超过中央处理机的价格，体 积也比较大。积也比较大。 2）在软件上在软件上，则要求研制专门的图形和图像数据的分析，则要求研制专门的图形和图像数据的分析 算法和处理软件，这些算法和软件又直接和数据的结构算法和处理

3、软件，这些算法和软件又直接和数据的结构 及数据库的管理方法有关。及数据库的管理方法有关。 5 3）在信息处理的内容和采用目的方面在信息处理的内容和采用目的方面，一般的管理信息，一般的管理信息 系统，主要是查询检索和统计分析，处理的结果，大多系统，主要是查询检索和统计分析，处理的结果，大多 是制成某种规定格式的表格数据，而地理信息系统，除是制成某种规定格式的表格数据，而地理信息系统，除 了基本的信息检索和统计分析外，主要用于分析研究资了基本的信息检索和统计分析外，主要用于分析研究资 源的合理开发利用，制定区域发展规划，地区的综合治源的合理开发利用，制定区域发展规划，地区的综合治 理方案，对环境进

4、行动态的监视和预测预报，为国民经理方案，对环境进行动态的监视和预测预报，为国民经 济建设中的决策提供科学依据，为生产实践提供信息和济建设中的决策提供科学依据，为生产实践提供信息和 指导。指导。 地理信息系统与一般管理信息系统的比较地理信息系统与一般管理信息系统的比较 6 (二二)两者共同处两者共同处 两者都是以计算机为核心的信息处理系统，都具有数据两者都是以计算机为核心的信息处理系统，都具有数据 量大和数据之间关系复杂的特点，也都随着数据库技术量大和数据之间关系复杂的特点，也都随着数据库技术 的发展在不断的改进和完善。比较起来，商用的管理信的发展在不断的改进和完善。比较起来，商用的管理信 息系

5、统发展快，用户数量大，而且已有定型的软件产品息系统发展快，用户数量大，而且已有定型的软件产品 可供选用，这也促进了软件系统的标准化。地理信息系可供选用，这也促进了软件系统的标准化。地理信息系 统，由于上述一些特点，多是根据具体的应用要求专门统，由于上述一些特点，多是根据具体的应用要求专门 设计，数据格式和组织管理方法各不相同设计，数据格式和组织管理方法各不相同。 地理信息系统与一般管理信息系统的比较地理信息系统与一般管理信息系统的比较 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 数据库是长期存储在计算机内的、有组织的，服务于一定数据库是长期存储在计算机内的、有组织的，服务于一定 目的的数据集。目的的

6、数据集。 计算机对数据的管理到目前为止，共经历了四个阶段：计算机对数据的管理到目前为止，共经历了四个阶段： 程序管理阶段程序管理阶段，数据和应用程序一同存在。数据和应用程序一同存在。 文件管理阶段文件管理阶段，数据和应用程序独立。（数据间无明显关系），数据和应用程序独立。（数据间无明显关系） 数据库管理阶段数据库管理阶段，数据和应用独立（逻辑独立），数据库和存储设备，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。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。 数据仓库阶段数据仓库阶段，数据经过重构、融合等，面向主题组

7、织，服务于决策，数据经过重构、融合等，面向主题组织，服务于决策 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 数据库可以看数据库可以看 作是与现实世界有作是与现实世界有 一定相似性的模型，一定相似性的模型， 是认识世界的基础，是认识世界的基础， 是集中、统一地存是集中、统一地存 储和管理某个领域储和管理某个领域 信息的系统，它根信息的系统，它根 据数据间的自然联据数据间的自然联 系而构成，数据较系而构成，数据较 少冗余，且具有较少冗余，且具有较 高的数据独立性，高的数据独立性， 能为多种应用服务。能为多种应用服务。 现现 实实 世世 界界 到到 数数 字字 世世 界界 的的 转转 换换 5.1 5.1

8、 空间数据库空间数据库 5.1.1 GIS5.1.1 GIS数据库（空间数据库）定义数据库（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。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（数据量特别大（NASA的对地观测系统（的对地观测系统（EOS）每天要）每天要 产生产生1TB的数据的数据） 具有地理空间数据和属性数据具有地理空间数据和属性数据 数据应用面相当广数据应用面相当广 空间分析赖以进行的基础空间分析赖以进行的基础 数据库管理系统数据库管理系统保证数据库的安全性和完整性保证数据库的安

9、全性和完整性 数据库管理系统（数据库管理系统（Database Management System， DBMS）是在文件处理系统的基础上进一步发展的系统。）是在文件处理系统的基础上进一步发展的系统。 DBMS在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。 DBMS的的最大优点是提供了两者之间的数据独立性最大优点是提供了两者之间的数据独立性，即，即 应用程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存应用程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存 储结构。当数据文件的存储结构改变时，不必改变应用储结构。当数据文件的存储结构改变时，不必改变应用 程序。程序。

10、 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 GIS GIS中的数据大多是地理数据，具有类型多样、各类型实体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。理空间数据是连续的，具有很强的空间相关性

11、。 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；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。有大量的空间数据操作和查询。 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 5.1.5.1.2 2 GIS GIS空间数据库模型空间数据库模型 目前，大多数商品化的目前，大多数商品化的GISGIS

12、软件都不是采取传统的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 采用建立在关采用建立在关系数据库管理系统（系数据库管理系统（RDBMSRDBMS）基础上的综基础上的综 合数据模型。合数据模型。 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 5.1.5.1.2 2 GIS GIS空间数据库模型空间数据库模型 空间数据库管理模式（模型）空间数据库管理模式（模型） （1）混合结构模式混合结构模式 （hybrid model） 基本思想：两个子系统分别存储基本思想：两个子系统分别存储 空间数据和属性数据。记录之间通过空间数据和属性数据。记

13、录之间通过 关键字联系。在检索时必须同时询问关键字联系。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个子系统，然后将它们的回答结合起 来。（很难保证来。（很难保证2个存储子系统的数据个存储子系统的数据 存储、操作的统一）存储、操作的统一） 属于这种模型的属于这种模型的GISGIS软件：软件：ARC/INFOARC/INFO、MGEMGE、SICARDSICARD、GENEMAPGENEMAP GIS RDBMSSDBMS 5.1 5.1 空间数据库空间数据库 5.1.5.1.2 2 GIS GIS空间数据库模型空间数据库模型 空间数据库管理模式空间数据库管理模式 （2）扩展结构模式

14、）扩展结构模式 （extended model） 基本思想：采用统一的基本思想：采用统一的RDBMS 存储空间数据和属性数据，扩展存储空间数据和属性数据，扩展 RDBMS的空间管理功能。通常在标的空间管理功能。通常在标 准准RDBMS上附加空间数据管理层，上附加空间数据管理层， 利用该层将利用该层将GeoSQL转化成标准的转化成标准的 SQL语言。语言。 属于这种模型的属于这种模型的GISGIS软件：软件：SYSTEM9SYSTEM9、SMALL WORLDSMALL WORLD GIS 属性数据属性数据空间数据空间数据 扩展层（标准扩展层（标准RDBMS） 5.1 5.1 空间数据库空间数据

15、库 5.1.5.1.2 2 GIS GIS空间数据库模型空间数据库模型 空间数据库管理模式空间数据库管理模式 （3）统一数据模型）统一数据模型 （integrated model） 基本思想：基本思想：不是基于标准不是基于标准 RDBMS，而是在开放的，而是在开放的DBMS 基础上扩展空间数据表达功能，基础上扩展空间数据表达功能， 空间扩展部分完全容入空间扩展部分完全容入DBMS。 空间数据空间数据 处理处理 可扩展可扩展 DBMSDBMS 属于这种模型的软件：属于这种模型的软件：TIGRIS(intergraph)TIGRIS(intergraph)、GEOGEO等等 5.1 5.1 空间数

16、据库空间数据库 由于地理空间数据的多源性，就决定了地理空间数据库的多样性。由于地理空间数据的多源性，就决定了地理空间数据库的多样性。 地理信息数据来自完全不同的领域和部门，数据的形式有图形、图像、地理信息数据来自完全不同的领域和部门，数据的形式有图形、图像、 文字、统计等多种类别。目前地理空间数据库包括如下几种文字、统计等多种类别。目前地理空间数据库包括如下几种“分立分立”的的 子数据库。子数据库。 以以DTMDTM、环境监测数据为代表的网格数据库。、环境监测数据为代表的网格数据库。 以地形内容为代表的地理基础数据库。以地形内容为代表的地理基础数据库。 以统计数据为代表的专题数据库。以统计数据

17、为代表的专题数据库。 以遥感图像数据为代表的栅格数据库。以遥感图像数据为代表的栅格数据库。 5.1.5.1.3 3 地理空间数据库的内容地理空间数据库的内容 5.1 5.1 多样性空间数据库多样性空间数据库 5.1.5.1.4 4 地理空间数据库的设计过程地理空间数据库的设计过程 定义数据库结构定义数据库结构 了解用户需求了解用户需求 确定研究区域范围确定研究区域范围 组织和描述数据组织和描述数据 分区分区 数据输入数据输入 5.2 5.2 空间数据的组织空间数据的组织 空间数据是分层进行组织的空间数据是分层进行组织的 5.2.1 5.2.1 空间数据分层的方法空间数据分层的方法 按专题分层按

18、专题分层 按时间序列分层按时间序列分层 以地面垂直高度分层以地面垂直高度分层 5.2 5.2 空间数据的组织空间数据的组织 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、数据项组、记录、文件和数据库 文件文件 记录记录 数据项数据项 数据项组数据项组 逻辑数据单位之间的关系逻辑数据单位之间的关系 5.2.2 5.2.2 数据组织的分级数据组织的分级 数据项：数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本 项、字段等。 记录：记录：由若干相关联的数据项组成。 文件：文件：是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合

19、。 数据库：数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定 联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种 类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合， 这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。 22 数据项 数据项组 记录 文件 数据库 最基本的不可分割的数据单 位,具有独立的逻辑意义 逻辑上具有某种共同标志 的若干数据项组成的 数据项或数据项组集合,对文件 进行存取操作的基本单位 给定类型逻辑记录的全部具 体值的集合 文件的集合，文件之间存在某种联系， 不能孤立存在 23 数数据间的逻辑联系主要是指据间的逻辑联系主要是指 记录与记录之间的联系。记录与记录之间的联系。 1 1、一对一

20、的联系、一对一的联系(1(1：1) 1) 2 2、一对多的联系、一对多的联系(1(1：N) N) 3 3、多对多的联系、多对多的联系(M(M：N) N) A B AB A B AB A B AB 5.2 5.2 空间数据的组织空间数据的组织 5.5.2 2.3 .3 数据库中图幅的组织方法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。形分幅。 经纬线分幅经纬线分幅 矩形分幅矩形分幅 25 空间

21、数据库 查询条件 属性限制 空间拓扑限制 二者结合 GIS软件 查询结果 统计结果： 图、表、文字 新图层 新的属性域添加到 属性数据库 查询方式 图形-属性 空间查询语言 闪烁、颜色等明显 表示 空间查询定义: 在GIS中根 据一定的图形条件或属性 条件或两者的结合条件, 检索出对应的空间对象的 属性或图形的一种工具。 5.5.3 3 空间空间信息查询信息查询 26 一、空间查询的方式一、空间查询的方式 1 1、给出图形信息：给出图形信息：如鼠标点取，拉框如鼠标点取，拉框 等方式。等方式。 1 1）检索其相应属性）检索其相应属性； 2）检索其空间拓扑关系检索其空间拓扑关系 2 2、给出属性特

22、征条件、给出属性特征条件 1 1）检索对应的空间实体）检索对应的空间实体 2 2）查询属性）查询属性 单纯查询单纯查询：单纯地查询属性，或只查询：单纯地查询属性，或只查询 空间拓扑关系空间拓扑关系 联合查询联合查询：将空间数据与属性数据联合：将空间数据与属性数据联合 查询。查询。 27 二、空间数据查询种二、空间数据查询种 类类 1 1、几何参数查询、几何参数查询： 包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度， 一个面目标的周长或面积等。一个面目标的周长或面积等。 实现实现：查询属性库或空间计算：查询属性库或空间计算 28 二

23、、空间数据查询种二、空间数据查询种 类类 2 2、空间定位查询（、空间定位查询（图形查询属性图形查询属性）： 给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。 1 1）按点查询）按点查询： 给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性-点的捕捉点的捕捉。 2 2）开窗查询）开窗查询-按矩形、圆、多边形查询按矩形、圆、多边形查询 分为该窗口分为该窗口包含包含和和穿过穿过的区别。的区别。 实现实现：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面：根据空间索引，检索哪些对象可

24、能位于该窗口，然后根据点、线、面 在查询开窗内的判别计算，检索到目标。在查询开窗内的判别计算，检索到目标。-空间运算方法空间运算方法 MapInfo软件中图形查属性的表达方式软件中图形查属性的表达方式 29 3 3、空间关系查询、空间关系查询 通过空间关系查询和定位空间实体是地理数据通过空间关系查询和定位空间实体是地理数据 库不同于一般数据库的功能之一。库不同于一般数据库的功能之一。 如查询满足下列条件的城市：如查询满足下列条件的城市： 京沪线东部（空间方位关系）；京沪线东部（空间方位关系）； 距离京沪线不超过距离京沪线不超过50km50km（空间距离关系）（空间距离关系）; ; 城市人口大于

25、城市人口大于100100万（属性信息查询）；万（属性信息查询）； A A 1 2 B C 30 3 3、空间关系查询、空间关系查询 A A 1 2 B C 1）相邻分析检索）相邻分析检索 面面面面查询查询 如与某个多边形相邻的多边形有哪些如与某个多边形相邻的多边形有哪些 面线查询面线查询 如某个多边形的边界有哪些线如某个多边形的边界有哪些线 面点查询面点查询 如某个多边形内有哪些点状地物如某个多边形内有哪些点状地物 线面查询线面查询 如某条线经过（穿过）的多边形有哪如某条线经过（穿过）的多边形有哪 些，某条链的左、右多边形是哪些些，某条链的左、右多边形是哪些 线线查询线线查询 如与某条河流相连

26、的支流有哪如与某条河流相连的支流有哪 些，某条道路跨过哪些河流。些，某条道路跨过哪些河流。 线点查询线点查询 如某条道路上有哪些桥梁，某条如某条道路上有哪些桥梁，某条 输电线上有哪些变电站。输电线上有哪些变电站。 点面查询点面查询 如某个点落在哪个多边形内。如某个点落在哪个多边形内。 点线查询点线查询 如某个结点由哪些线相交而成。如某个结点由哪些线相交而成。 城镇城镇 查询城 镇是否 位于平 原区内 举例：点面查询举例：点面查询 32 2 2）相关分析检索）相关分析检索（不同要素类型之间的关系）（不同要素类型之间的关系）-通过通过检索拓扑检索拓扑 关系关系 线线面（我国边境线总长度）面（我国边

27、境线总长度） 点点线（自来水线（自来水GISGIS中，与某阀门相关的水管）中，与某阀门相关的水管）; 点点面面 查询某个面状地物所包含的空间对象。查询某个面状地物所包含的空间对象。 3）包含关系查询查询某个面状地物所包含的空间对象。 同层包含：可直接查询拓扑关系表来实现,如某省的下属地区. 不同层包含：实质是叠置分析检索，通过多边形叠置分析技术， 只检索出在窗口界限范围内的地理实体，窗口外的实体作裁剪 处理。如某省的湖泊分布，如某省的湖泊分布，没有建立拓扑没有建立拓扑，实质是，实质是叠置分析检叠置分析检 索索，通过多边形叠置分析技术，只检索出在窗口界限范围内的，通过多边形叠置分析技术，只检索出

28、在窗口界限范围内的 地理实体，窗口外的实体作裁剪处理。地理实体，窗口外的实体作裁剪处理。 33 4）穿越查询 采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标， 计算哪些面或线与之相交 5）落入查询 一个空间对象落入哪个空间对象之内。空间运算 6）缓冲区查询 根据用户给定的一个点、线、面缓冲的距离，从而形成 一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索原理，检索该 缓冲区内的空间实体。 7）边沿匹配检索 空间查询在多幅地图的数据文件之间进行， 这时需应用边沿匹配处理技术。 (3) 穿越查询穿越查询 长江所经过的县市 距黄河距黄河150公里范围内的主要城市公里范围内的主要城市 34 4 4、属性查询、属

29、性查询 1 1） 查找查找 仅选择一个属性表，给定一个属性值，找仅选择一个属性表，给定一个属性值，找 出对应的属性记录或图形。出对应的属性记录或图形。 在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取 记录，对应的图形以高亮显示。记录，对应的图形以高亮显示。 实现实现：执行数据库执行数据库查询语言查询语言，找到满足要求，找到满足要求 的的记录记录，得到它的得到它的目标标识目标标识，再通过目标标，再通过目标标 识在识在图形数据文件图形数据文件中找到中找到对应的空间对象对应的空间对象， 并并显示出来显示出来。 2）SQL查询查询 Select 属性项属性项 From 属性表属性表 Where 条件条件 or 条件条件 and 条件条件 实现：实现：交互式选择各项，输入后，系统再交互式选择各项，输入后，系统再 转换转换为标准的为标准的SQL，由数据库系统执行或，由数据库系统执行或 ODBC C语言执行，得到结果，提取目标标语言执行，得到结果，提取目标标 识，在图形文件中找到空间对象，并显示。识，在图形文件中找到空间对象，并显示。 Select