第五章 空间信息查询

1、 赵 姗 环境与水利学院 2012.11 第五章第五章 空间信息查询第五章 空间信息查询第一节信息查询与空间数据库第二节 空间索引第三节 空间查询方式第四节 空间信息查询语言概念概念 查询什么查询什么 空间查询的一般问题是“在什么地方?”、“是什么？”、怎样（到达）？”查询对象查询对象图形中的信息属性表中的信息一般问题是“某图元代表什么实体，有什么属性”、“处于什么位置、距离、路径”、“一定范围内包含的地物，地物之间的关系等”。 信息查询信息查询意义意义 信息管理信息管理 通过查询可以获取特定数据，进行信息管理和数据更新。特定信息提取特定信息提取 通过查询提取需要的信息，据弃无关的信息，便于使

2、用。空间分析基础空间分析基础 查询结果一般是对所需查找的信息及数据的报告，研究需要对这些数据单独提出进行相关分析。 信息查询信息查询分类分类空间位置和形态空间位置和形态 对象所在的地理区域，对象的几何和属性特征。空间关系和关联空间关系和关联 空间对象间的拓扑关系。空间分布规律空间分布规律 特定类别地物分布在特定的区域，如电子市场、娱乐场所、饮食街等。时空演化时空演化 通过时间空间数据分析，可以研究和揭示事物发展演化的规律。空间数据库中的信息空间数据库中的信息 空间索引空间索引空间索引空间索引就是指依据空间对象的就是指依据空间对象的位置和形位置和形状状或空间对象之间的某种或空间对象之间的某种空间

3、关系空间关系按一定按一定的顺序排列的顺序排列的一种数据结构的一种数据结构. .其中包含空间对象的概要信息，如对象的其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。针。概念概念 空间索引空间索引空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系

4、统的整体性能，它是空间数据库和地理理信息系统的整体性能，它是空间数据库和地理信息系统的一项关键技术。信息系统的一项关键技术。 作用作用 空间索引空间索引索引对象的无序性索引对象的无序性 空间对象没有明确次序。当确定某对象在一个子空空间对象没有明确次序。当确定某对象在一个子空间内，需要逐个进行比较。间内，需要逐个进行比较。索引对象的不规则性索引对象的不规则性 空间对象不是规则图形。需要适当选取规则图形近空间对象不是规则图形。需要适当选取规则图形近似。例如，选取平行于坐标轴的矩形。似。例如，选取平行于坐标轴的矩形。索引对象的交叉性索引对象的交叉性 空间对象可以交叉或者重叠。一个对象可能属于多空间对

5、象可以交叉或者重叠。一个对象可能属于多个子空间，需要多路检索。个子空间，需要多路检索。特点特点 例如：查找经过河南省的所有河流。例如：查找经过河南省的所有河流。 常规方法：检查所有河流和河南省省界是否相交。 缺点：用实际空间对象比较，算法复杂，计算开销大、IO开销大。 索引方法：记录河流和省界的外接矩形。用外接矩形进行比较。 空间索引空间索引将空间位置作为一个属性放入关系表中将空间位置作为一个属性放入关系表中建立一个空间索引层建立一个空间索引层cell空间索引层地理要素层 空间索引空间索引空间属性表空间属性表描述要素的一般信息，描述要素的一般信息，空间索引表空间索引表描述要素所在格网的信息，描

6、述要素所在格网的信息，要素描述表要素描述表描述要素的点数，范围等信息，描述要素的点数，范围等信息，三张表通过三张表通过FIDFID（Feature IDFeature ID）关联）关联 空间索引空间索引 空间索引空间索引格网索引格网索引R R树和树和R+R+树索引树索引常见的空间索引常见的空间索引 常见空间索引一般是常见空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间自顶向下、逐级划分空间的各种的各种数据结构空间索引，比较有代表性的包括数据结构空间索引，比较有代表性的包括BSP树、树、R树、树、R+树和树和CELL树等。此外，结构较为简单的格网型空间索树等。此外，结构较为简单的格网型空间索引有着广泛的应用

7、。引有着广泛的应用。 空间索引空间索引基本思想基本思想是将研究区域用横竖线条划分大小相等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，这样一来就大大地加速了空间索引选空间实体，这样一来就大大地加速了空间索引的查询速度。的查询速度。 1、格网索引、格网索引 空间索引空间索引 为了便于建立空间为了便于建立空间索引的线性表索引的线性表, ,每个格每个格

8、网按一定规律进行编码网按一定规律进行编码，建立码与空间实体的建立码与空间实体的关系关系, ,该关系表就成为该关系表就成为格网索引文件。每个要格网索引文件。每个要素在一个或者多个网格素在一个或者多个网格中中, ,每个网格可以包含每个网格可以包含多个要素。多个要素。 1、格网索引、格网索引2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042212329315355616320222830525460621719252

9、7495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042空间索引空间索引对象索引对象索引Peano键键空间对象空间对象空间对象空间对象Peano键集键集7BA25-2514EB7-715EC54-5525AC60-6026ED32-3332DD35-3533DD38-3835D.FE14-1537EE26-2638DE37-3739EE39-3948EE48-4850EE50-5054CF35-3555C60C1、格网索引、格网索引ABCEDF每个要素在一个或者多个网格中每个要素在一个或者多个

10、网格中,每个网格每个网格可以包含多个要素可以包含多个要素,要素不是真正被分割。要素不是真正被分割。由此建立由此建立Peano键和空间对象的关系。键和空间对象的关系。 空间索引空间索引 R R树根据地物的树根据地物的最小外接矩形最小外接矩形建立，可以直建立，可以直接对空间中占据一定范围的空间对象进行索引。接对空间中占据一定范围的空间对象进行索引。 R R树索引设计虚拟的矩形目标，将空间目标树索引设计虚拟的矩形目标，将空间目标包含在矩形内。这些矩形作为空间索引，含有包包含在矩形内。这些矩形作为空间索引，含有包含的空间对象的指针。含的空间对象的指针。 RECTRECT（IDID，MinXMinX，M

11、axXMaxX，MinYMinY，MaxYMaxY）2、R树和树和R+树树MBRMBR（Minimum Bounding BoxMinimum Bounding Box 最小外接矩最小外接矩形）形） 空间索引空间索引 R R树树 在进行空间数据检索时，先判断哪些矩形落在在进行空间数据检索时，先判断哪些矩形落在检索窗口内，再进一步判断哪些目标是被检索的内检索窗口内，再进一步判断哪些目标是被检索的内容。容。在在R R树构造中，要求虚拟矩形尽可能少重树构造中，要求虚拟矩形尽可能少重叠，并且一个空间对象通常仅仅被一个矩叠，并且一个空间对象通常仅仅被一个矩形包含。实际中很难保证这种情况。形包含。实际中很

12、难保证这种情况。空间对象千姿百态，最小矩形通常范围重空间对象千姿百态，最小矩形通常范围重叠。于是提出了叠。于是提出了R R树的改进，树的改进，R+R+树。树。 空间索引空间索引2、R树和树和R+树树R+R+树树 R+R+树允许虚拟矩形相互重叠，并允许一个空间树允许虚拟矩形相互重叠，并允许一个空间目标被多个虚拟矩形包含。目标被多个虚拟矩形包含。1 1、图查文、图查文( (图形查询属性图形查询属性) )2 2、文查图、文查图( (属性查询图形属性查询图形) )2 2、空间关系的查询、空间关系的查询( (面面点、面点、面线、面线、面面、线面、线点、线点、线线查询线查询 ) )4 4、逻辑查询、逻辑查

13、询(SQL(SQL查询查询) ) 空间查询方式空间查询方式 空间查询方式空间查询方式1、图查文、图查文图文互查是图文互查是GISGIS中最常用的查询。中最常用的查询。 一般一般GISGIS软件提供软件提供“INFO”INFO”工具工具。用点选。用点选、区域圈选、多边形选择、矩形选择的方式选、区域圈选、多边形选择、矩形选择的方式选中地物，并显示出查询对象的属性列表。中地物，并显示出查询对象的属性列表。1）利用空间索引，在数据库中快速检索被选空间实体。2）根据实体和属性的连接关系得到所查询实体的属性列表。图查文图查文图查文图查文 空间查询方式空间查询方式2、文查图、文查图如：在中国行政区图查人口如

14、：在中国行政区图查人口40004000万的省。万的省。1）和一般SQL查询类似，构建SQL查询语句进行查询。2）查询到结果后，利用图形和属性的对应关系，再图上表示出结果。文查图文查图文查图文查图MapInfo软件中软件中点目标点目标的几何参数查询的几何参数查询 空间查询方式空间查询方式MapInfo软件中软件中线目标线目标的几何参数查询的几何参数查询 空间查询方式空间查询方式Mapinfo软件中软件中面状目标面状目标的几何参数查询的几何参数查询 空间查询方式空间查询方式是指给定一个点或一个几何图形，检索出是指给定一个点或一个几何图形，检索出该图形范该图形范围内围内的空间对象以及相应的属性。这种

15、查询方式又的空间对象以及相应的属性。这种查询方式又称为称为图形查询属性图形查询属性的方式。的方式。 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 空间查询方式空间查询方式ArcView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 空间查询方式空间查询方式 空间查询方式空间查询方式3、空间关系的查询、空间关系的查询 通过空间关系查询和定位空间实体是地理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。数据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

16、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）; ;城市人口大于城市人口大于100100万（属性信息查询）；万（属性信息查询）；空间关系的查询空间关系的查询面面查询面面查询 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 空间查询方式空间查询方式线线查询线线查询

17、如与某条河流相连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(1)邻接查询邻接查询从多边形与弧段关系的表中，检索出该多边形关从多边形与弧段关系的表中，检索出该多边形关系的所有弧段系的所有弧段从弧段关系的左右多边形的表中，检索出这

18、些弧从弧段关系的左右多边形的表中，检索出这些弧段所关联的多边形段所关联的多边形(2) 包含关系查询包含关系查询 查询某一个面状所包含的某一类的空间对象查询某一个面状所包含的某一类的空间对象(3) 穿越查询穿越查询长江所经过的县市(4) 落入查询落入查询 查询一个空间对象它落在哪个空间对象之内。查询一个空间对象它落在哪个空间对象之内。可采用空间运算，使用点在多边形内，线在多边可采用空间运算，使用点在多边形内，线在多边形内，或面在多边形内的判断方法。形内，或面在多边形内的判断方法。 (5) 缓冲区查询缓冲区查询 缓冲区查询根据用户需要给定一个点缓冲、缓冲区查询根据用户需要给定一个点缓冲、线缓冲或面

19、缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的线缓冲或面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索的原理，检索出该缓多边形，再根据多边形检索的原理，检索出该缓冲区多边形内的空间地物。冲区多边形内的空间地物。 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 （6） 地址匹配查询地址匹配查询 根据街道地址来查询事物的空间位置和属性根据街道地址来查询事物的空间位置和属性信息是地理信息系统特有的一种查询功能，这种信息是地理信息系统特有的一种查询功能，这种查询利用地理编码，输入街道门牌号码，就可知查询利用地理编码，输入街道门牌号码，就可知道大致的位置和所在的街区。道大致的位置和所在的街区。

20、空间查询方式空间查询方式（7）SQL查询查询 （7）SQL查询查询 空间查询方式空间查询方式查询机耕道ArcGIS 空间信息查询语言空间信息查询语言、SQLSQL查询语言查询语言、扩展的、扩展的SQLSQL查询查询MapInfo软件中SQL输入标准对话框 通过SQL语言查询的结果 Select from whereGISGIS中中SQLSQL查询例查询例1 1GISGIS中中SQLSQL查询例查询例2 2查世界地图属性表中有多少国家查世界地图属性表中有多少国家?总人口总人口?总面积总面积?多表连接查询多表连接查询如查出美国地图数据中总人口大于如查出美国地图数据中总人口大于10001000万万

21、且且州府人口大于州府人口大于2020万的州万的州 。 SELECT SELECT * * FROM States, Statecap FROM States, Statecap WHERE WHERE States.state = StatecapStates.state = Statecap .State and .State and States.pop_199010000000 and States.pop_199010000000 and Statecap.pop_1990 200000 Statecap.pop_1990 200000嵌套查询嵌套查询求世界地图中同伊拉克处于同一大洲的

22、国家求世界地图中同伊拉克处于同一大洲的国家 SELECT SELECT country,continent FROM FROM world WHERE WHERE continent = (SELECT SELECT continent FROM FROM world WHERE WHERE country=“Iraq” )； 首先求出伊拉克处于哪个洲；之后求出同伊首先求出伊拉克处于哪个洲；之后求出同伊拉克处于同一洲的国家。拉克处于同一洲的国家。扩展扩展SQLSQL查询查询扩展扩展SQLSQL查询查询1、查询谓词的扩展、查询谓词的扩展MapinfoMapinfo在在SELECTSELECT语句

23、中增加了语句中增加了地理函数地理函数和和地理运算符地理运算符. .扩展扩展SQLSQL查询查询1、查询谓词的扩展、查询谓词的扩展例例 ：美国：美国“I 10”号高速公路经过哪几个洲？号高速公路经过哪几个洲？ 先先美国高速公路中美国高速公路中找出找出 “I10”号高速公路；号高速公路； 再找再找“I 10”号高速公路经过哪几个洲号高速公路经过哪几个洲。WHERE States.obj CONTAINS Us_Hiway.obj AND (States.obj INTERSECTS (SELECT obj FROM Us_Hiway WHEREus_Hiway.highway= “I 10”)地地

24、 理理 运运 算算 符符 例如查询三峡地区长江流域人口大于例如查询三峡地区长江流域人口大于50万的县万的县或市，扩展的或市，扩展的SQL空间查询语句为：空间查询语句为： SELECT * * FROM 县或市县或市 WHERE 县或市县或市人口人口50万万 AND CROSS （河流（河流名称名称= =“长江长江”） 扩展扩展SQLSQL查询查询1、查询谓词的扩展、查询谓词的扩展扩展SQL空间查询结果 这些这些SQLSQL扩充和应用有关，目前还没有形成标准。扩充和应用有关，目前还没有形成标准。例：例：（1 1）选择河南省所有城市和人口）选择河南省所有城市和人口 SELECT SELECT 城市

25、名，人口城市名，人口 FROM FROM 城市城市 WHERE WHERE CENTERCENTER（城市地图）（城市地图）INSIDEINSIDE 河南；河南；（2 2）选择流经河南省的所有河流的名称和河南境内长度）选择流经河南省的所有河流的名称和河南境内长度 SELECT SELECT 河流名，河流名，LENGTHLENGTH（INTERSECTSINTERSECTS （ROUTEROUTE（河流流域图），（河流流域图），河南）；河南）； FROM FROM 河流河流 WHERE WHERE ROUTEROUTE ( (河流流域图河流流域图) )INTERSECTSINTERSECTS 河

26、南；河南；扩展扩展SQLSQL查询查询1、查询谓词的扩展、查询谓词的扩展 扩展扩展SQLSQL查询查询2、面向对象的扩展、面向对象的扩展OGISOGIS协会（协会（Open GISOpen GIS）是由一些主要软件供应商组成的）是由一些主要软件供应商组成的联盟，负责制定与联盟，负责制定与GISGIS互操作相关的行标准。互操作相关的行标准。OGISOGIS的空间的空间数据模型可以嵌入到各种编程语言中，例如数据模型可以嵌入到各种编程语言中，例如C C、JavaJava、SQLSQL等等，提出了一套规范，把二维地理空间等等，提出了一套规范，把二维地理空间ADTADT（abstract abstract data type, data type, 抽象数据类型）整合到抽象数据类型）整合到SQLSQL之中，并且包括了之中，并且包括了