浅议关系数据模型矢量数据空间叠加

1、浅议关系数据模型矢量数据空间叠加【摘要】本文对已有空间数据模型的特点进行了评述， 指出数据存储方式决定了空间叠加方式的选取，然后基于当 前流行的关系数据模型，对矢量数据的空间叠加进行了详细 的探讨，提出了将拓扑复合数据结构引入关系数据模型的空 间叠加设想。【关键词】空间叠加关系数据模型空间数据库数据 库管理地理信息abstract : the paper mainly discusses the vectordata space stack of the relation data model.概述 空间叠加(spatial overlay)在空间分析中起着举足轻重的作用。一般而言，空间叠加是

2、将同一地区，同一比例 尺的两组或更多的专题图层进行叠加，按照空间逻辑的 并、交、差进行运算，还可能包括对叠加分析范围内的属性 进行综合分析评定，从而满足用户需求和协同决策的一种 方法。广义的空间叠加包括多种空间操作，既包括对空间 关系的判定，也包括产生新的数据层以及新数据层上的属 性。空间叠加分析算法的好坏，性能的优越与否直接影响到gis整体功能的发挥。空间叠加是计算密集型任务，而且， 由于gis自身的特点，其原始数据量非常大。为保证数据处 理逻辑的响应速度，必须提供强大、快速的数据结构和算法。1如何进行矢量空间数据叠加矢量空间数据叠加的一般流程为:(1) 空间数据的载入，可以从文件中读取，也

3、可以从 数据库中取出，空间数据可以按照两种空间数据模型存储， 拓扑关系数据模型和对象关系数据模型。(2) 对空间数据进行转换与过滤，以便于后面的叠加 操作。(3) 几何体叠加。(4) 结果集的构造。空间数据模型是人们对于客观世界的理解及其表达，它决定了空间数据叠加方案的选取。矢量空间数据可以按照拓扑关系数据模型和对象关系数据模型来组织。11拓扑关系数据模型早期的商品化gis软件大都采用了以“结点一弧段一多 边形'拓扑关系为基础的数据模型，我们称这种数据模型为 拓扑关系数据模型。在拓扑数据模型的基础上，一些软件将 空间数据和属性数据分开存放；另一些软件将坐标数据和属 性数据统一存放在关系

4、数据库的各种表格中，一条记录对应 一个点、线或面类型的几何要素(不一定为完整独立的地理 要素），因此可以大大提高系统在大范围的空间叠加、拓扑 查询和网络分析方面的效率，但也有一些重大缺点：（1）对单个地理实体的操作效率不高。（2）难以表达复杂的地理实体。（3）系统难于维护与扩充，一旦数据发生变化，必须 重新建立拓扑关系。1. 2对象关系数据模型与上述拓扑模型不同，对象关系数据模型以独立、完整、 具有地理意义的对象为基础单位对地理空间进行表达。每个 对象（独立的地理实体）不仅具有自己的各种属性（含坐标 数据），而且具有自己的行为（操作），能够自己做一些操作 或对外界产生反应。在具体组织和存储时，

5、可将对象的坐标 数据和属性数据（如建立了部分拓扑，拓扑关系也放在表中 保存）分别存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者 统一放在关系数据库中（可以将坐标数据和属性数据放在同 一个表格，也可以将二者分成两个表格，esri公司sde的存 贮模式是分成四个表格，它还增加了一个layers表和一个 空间索引表。layer表位于服务器端，用于层（数据集）的 管理和维护；空间索引表采用网格索引，用于实体的快速搜 索）。2. 如何进行关系数据模型的空间叠加 2.1目前，绝大多数基于对象的多边形叠加方案中都没有引入拓扑复合数据结构，其流程一般为：(1) 将主多边形和上覆多边形存入链表(2) 循环取出主多边

6、形和上覆多边形的弧段做比较， 求交(3) 在主多边形、上覆多边形结构中插入所有交点(4) 对主多边形的交点排序，获得进点串(5) 根据运算类型(并、交、差等)，追踪进点和出点,得到结果多边形该方案具有原理简单，易于实现的优点，但是由于需要对参与叠加的两层多边形做双重循环遍历，对于重复存储的公共边需要重复计算，因此大大增加了冗余运算量，严重降 低了空间叠加操作的效率。而拓扑复合数据结构能有效的克服该缺点,通过整体求交而避免重复计算,增强空间叠加的功能，所以必须在对象关系数据模型中引入拓扑复合数据结 构。2.2为了在对象关系数据模型中引入拓扑复合数据结 构，需要考虑如下几个问题：(1) 何时建立拓

7、扑复合数据结构可以在空间叠加时动态建立拓扑复合数据结构，也可能 载入对象数据时建立并存储拓扑关系。如果使用前一种方 案，则不必事先物理存储拓扑关系，因而可以节约存储空间。 由于在每次进行空间叠加操作时，都需要执行建立拓扑这个步骤，所以会占用一定的时间开销，然而目前建立拓扑的算 法研究已经很成熟，只要选取合适的算法，就能使这种开销了降到很低,对空间叠加的整体效率的影响非常小。如果采用后一种方案，则可以节省每次空间叠加操作中的建立拓扑 的时间开销，提高叠加效率；但是需要物理存储拓扑关系, 对于海量空间数据的叠加操作而言，将占用大量的存储空 间，同时，还必须对拓扑关系进行维护与更新。(2) 在何外建

8、立拓扑复合数据结构有两种方式存放为空间叠加生成的拓扑复合数据结构： 将其放在内存当中这种方式有利于空间叠加操作的快速完成。但是该拓扑数据的存储量会受到很大的限制，特别是对于海量数据的空 间叠加操作，产生的拓扑数据量和临时数据可能会超出内存 的容量，导致叠加运算无法完成。 将其放在硬盘当中 如果想保留拓扑复合数据，可以将其写入地理数据当中，以便再次使用；否则可以把数据写入临时文件，用完了 再删除。这种方法一定程度上降低了拓扑数据的存取速度， 但是相对于计算密集型的空间叠加操作而言，这些开销几乎 可以忽略。(3) 建立什么样的拓扑复合数据结构拓扑复合数据结构可以有两种表达方式：全显式表达和 半隐含

9、表达。全显式表达是指结点、弧段、面域之间的所有拓扑关联 关系都用关系表表达出来。关系表一般包括面域一弧段、弧 段一结点、结点一弧段和弧段一面域拓扑关联关系，有时根 据需要，甚至将部分关系表合并，形成弧段一结点一面域的 拓扑关联关系。(4) 建立了拓扑复合数据结构的的空间叠加流程在将空间数据由对象关系模型转为拓扑复合数据结构 以后，其空间叠加过程与基于拓扑的叠加过程类似。 排序拓扑结构中没有多边形的概念，都存储为线，因此在进 行空间叠加时，将执行整体求交。为了提高效率，必须尽量 缩小参与求交的线的范围，因此类似于平面扫描求交算法的 思想，有必要对线按照坐标进行排序，以便只对空间位置靠 近的线做求交运算。 求交几何求交的处理关系到整个空间叠加结果的质量好坏， 另外，对于海量空间数据的空间叠加，不同的几何求交处理 算法在很大程度上将影响程序执行效率。 组装对几何求交所获得的结点，根据结点和弧段的拓扑信 息，可以快速组装生成结果多边形。总结空间数据模型决定了空间叠加方案的选取，矢量空间数 据模型有对象关系数据模型和拓扑关系数据模型两种。前者具有实体管理修改方便、 查询检索容易、方便地构造复杂地理实体、符合人们看待客 观世界的思维习惯等优点，后者在空间叠加、网络分析等操 作方面有绝对优势，因此将拓扑复合数