第7章 空间数据的查询与空间

1、第第7章章 空间数据的查询与空间度量空间数据的查询与空间度量朱朱 莹莹主要内容主要内容 空间数据查询概述空间数据查询概述 属性查询属性查询 图形查询图形查询 空间关系查询空间关系查询 距离量算与方位量算距离量算与方位量算 线状物体的量算线状物体的量算 面状物体的量算面状物体的量算空间数据查询概述空间数据查询概述 空间数据查询属于空间数据库的范畴，一般定义空间数据查询属于空间数据库的范畴，一般定义为从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和为从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象空间约束条件的地理对象 查询的过程分为三类查询的过程分为三类 直接复原数据库中的数据及所含信息直

2、接复原数据库中的数据及所含信息 通过逻辑运算完成一定约束条件下的查询通过逻辑运算完成一定约束条件下的查询 根据数据库中现有的数据模型，进行有机的组合构造根据数据库中现有的数据模型，进行有机的组合构造出复合模型，模拟现实世界的系统和现象的结构、功出复合模型，模拟现实世界的系统和现象的结构、功能，预测事务的发生、发展的动态趋势能，预测事务的发生、发展的动态趋势 空间数据查询概述空间数据查询概述空间数据查询概述空间数据查询概述 空间数据查询的方式空间数据查询的方式 属性查图形属性查图形 用用SQL语句来进行简单和复杂的条件查询语句来进行简单和复杂的条件查询 如在中国经济区划图上查找人均年收入大于如在

3、中国经济区划图上查找人均年收入大于5000元人民币的元人民币的城市，将符合条件的城市的属性与图形关联，然后在经济区划城市，将符合条件的城市的属性与图形关联，然后在经济区划图上高亮度显示给用户图上高亮度显示给用户 图形查属性图形查属性 通过点、矩形、圆和多边形等图形来查询所选空间对象的属性通过点、矩形、圆和多边形等图形来查询所选空间对象的属性 查找空间对象的几何参数，如两点间的距离，线状地物的长度，查找空间对象的几何参数，如两点间的距离，线状地物的长度，面状地物的面积等面状地物的面积等 空间数据查询概述空间数据查询概述 空间数据查询的内容空间数据查询的内容 空间对象的属性，空间位置，空间分布，几

4、何特征，空间对象的属性，空间位置，空间分布，几何特征，以及和其他空间对象的空间关系以及和其他空间对象的空间关系 属性查询属性查询 简单的属性查询简单的属性查询 最简单的属性查询是查找。查找不需要构造复杂的最简单的属性查询是查找。查找不需要构造复杂的SQL命令，只要选择一个属性值，就可以找到对应的命令，只要选择一个属性值，就可以找到对应的空间图形。空间图形。 属性查询属性查询 基于基于SQL语言的属性查询语言的属性查询 SQL的基本语法：的基本语法： Select From Where查询所需要的关联表查询所需要的关联表地块标识地块标识销售日期销售日期面积面积代码代码分区分区P101980213

5、3.11住宅区住宅区P1028903242.52商用区商用区P1039312034.63农用区农用区P1049506055.22商用区商用区P1057808302.73农用区农用区属性查询属性查询 Select saledate From parcel Where PIN=“P101”属性查询属性查询扩展的扩展的SQL查询查询在在SQL上扩充谓词集，将属性条件和空间关系的图形上扩充谓词集，将属性条件和空间关系的图形条件组合在一起形成扩展的条件组合在一起形成扩展的SQL查询语言查询语言 常用的空间关系谓词有相邻常用的空间关系谓词有相邻“Adjacent”，包含，包含“Contain”,穿过穿过“

6、Cross”和在内部和在内部“inside”，缓冲，缓冲区区“buffer”等等 （a）输入查询条件）输入查询条件（b）查询结果显示）查询结果显示图形查询图形查询 用户利用光标，用点、线、矩形、圆或其他不规用户利用光标，用点、线、矩形、圆或其他不规则工具选中感兴趣的地物，得到查询对象的属性、则工具选中感兴趣的地物，得到查询对象的属性、空间位置、空间分布以及与其他空间对象的空间空间位置、空间分布以及与其他空间对象的空间关系关系 点查询点查询 用鼠标点击图中的任意一点，得到该点所代表空用鼠标点击图中的任意一点，得到该点所代表空间对象的相关属性间对象的相关属性 矩形或圆查询矩形或圆查询 按矩形框查询

7、，给定一个矩形窗口，得到该窗口按矩形框查询，给定一个矩形窗口，得到该窗口内所有对象的属性列表内所有对象的属性列表 （a）矩形框选择要查询的区域）矩形框选择要查询的区域（b）查询结果）查询结果矩形或圆查询矩形或圆查询 圆查询圆查询 给定一个圆，检索出该圆内的空间对象，可以得到空给定一个圆，检索出该圆内的空间对象，可以得到空间对象的属性，其实现方法与矩形类似间对象的属性，其实现方法与矩形类似 多边形查询多边形查询 给定一个多边形，检索出该多边形内的某一类或某一给定一个多边形，检索出该多边形内的某一类或某一层空间对象层空间对象 空间关系查询空间关系查询 空间关系查询空间关系查询 拓扑关系查询拓扑关系

8、查询 缓冲区查询缓冲区查询 拓扑关系查询拓扑关系查询 对于凡具有网状结构特征的地理要素，存在结点、对于凡具有网状结构特征的地理要素，存在结点、弧段和多边形之间的拓扑结构弧段和多边形之间的拓扑结构 邻接关系查询邻接关系查询 邻接查询可以是点与点的邻接查询，线与线的邻接查邻接查询可以是点与点的邻接查询，线与线的邻接查询，或者是面与面的邻接查询询，或者是面与面的邻接查询 邻接关系查询还可以涉及到与某个结点邻接的线状地邻接关系查询还可以涉及到与某个结点邻接的线状地物和面状地物信息的查询物和面状地物信息的查询 如查找与公园邻接的闲置空地，或者与洪水泛滥区域如查找与公园邻接的闲置空地，或者与洪水泛滥区域相

9、邻的居民区相邻的居民区 面的邻接拓扑查询面的邻接拓扑查询包含关系查询包含关系查询 包含关系查询可以查询某一面状地物所包含的某包含关系查询可以查询某一面状地物所包含的某一类地物，或者查询包含某一地物的面状地物一类地物，或者查询包含某一地物的面状地物 通过查询某点状地物的拓扑关系，得到了包含该通过查询某点状地物的拓扑关系，得到了包含该点的面状地物的相关信息点的面状地物的相关信息 包含查询包含查询面包含点面包含点关联关系查询关联关系查询 关联关系查询是空间不同元素之间拓扑关系的查关联关系查询是空间不同元素之间拓扑关系的查询，可以查询与某点状地物相关联的线状地物的询，可以查询与某点状地物相关联的线状地

10、物的相关信息，也可以查询与线状地物相关联的面状相关信息，也可以查询与线状地物相关联的面状地物的相关信息地物的相关信息 缓冲区查询缓冲区查询 缓冲区是根据数据库中点、线、面地理实体，自缓冲区是根据数据库中点、线、面地理实体，自动建立其周围一定宽度范围的多边形，来表征特动建立其周围一定宽度范围的多边形，来表征特定地理实体对邻域的影响范围定地理实体对邻域的影响范围 根据用户给定点缓冲、线缓冲或面缓冲的距离，根据用户给定点缓冲、线缓冲或面缓冲的距离，形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索的形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索的原理，从该缓冲区内检索出所要的空间对象原理，从该缓冲区内检索出所要的空

11、间对象 缓冲区查询缓冲区查询 某一单位准备建立一个养殖实验室，实验室的选某一单位准备建立一个养殖实验室，实验室的选址要求为：址要求为：土地利用类型为灌木林地（属性代土地利用类型为灌木林地（属性代码为码为Lucode=300）；）；适宜开发的土壤类型为适宜开发的土壤类型为湿地（湿地（suit=2）；）；距离排水管道在距离排水管道在300米之内米之内 所需数据有土地利用类型图、土壤类型图和排水管网所需数据有土地利用类型图、土壤类型图和排水管网 首先按给定距离建立距离为首先按给定距离建立距离为300米的缓冲区米的缓冲区 将土地利用类型图和土壤类型图进行合并，利用合并将土地利用类型图和土壤类型图进行合

12、并，利用合并后的图层与排水管道缓冲区进行叠置后的图层与排水管道缓冲区进行叠置 SQL查询满足查询满足Lucode=300且且suit=2的区域，所选择的区域，所选择的区域即为适合建立实验室的候选区域的区域即为适合建立实验室的候选区域 土地利用图土地利用图土壤类型图土壤类型图排水网络及其排水网络及其300米缓冲区范围米缓冲区范围查询结果（深色图斑）查询结果（深色图斑）距离量算与方位量算距离量算与方位量算 距离量算距离量算 距离描述了两个实体或事物之间的远近或亲疏程度距离描述了两个实体或事物之间的远近或亲疏程度 距离的量算与度量空间的介质有关，要区分匀质空间距离的量算与度量空间的介质有关，要区分匀

13、质空间和非匀质空间和非匀质空间 匀质空间距离的量算匀质空间距离的量算 在匀质空间，广义距离的一般形式为：在匀质空间，广义距离的一般形式为： i，j代表物体代表物体i和物体和物体j 在空间数据查询和定位分析中，研究的对象通常在空间数据查询和定位分析中，研究的对象通常发生在二维或三维的地理空间上，因此一般取发生在二维或三维的地理空间上，因此一般取n3 qnlqljliijxxqd/11匀质空间距离的量算匀质空间距离的量算 当当 时，有：时，有： 称为曼哈顿距离称为曼哈顿距离 当当 时，即为最常用的欧氏距离，用于计算时，即为最常用的欧氏距离，用于计算两点间的直线距离两点间的直线距离 1q ljlii

14、jxxd12q匀质空间距离的量算匀质空间距离的量算 当当q趋向于无穷时趋向于无穷时 称为契比雪夫距离称为契比雪夫距离 ljliijxxdmaxnl, 2 , 1匀质空间与非匀质空间的距离量算匀质空间与非匀质空间的距离量算 非匀质空间距离的量算非匀质空间距离的量算 当度量空间为非匀质时，用匀质空间的简单距离的表达式当度量空间为非匀质时，用匀质空间的简单距离的表达式就不能计算了，此时的距离称为函数距离就不能计算了，此时的距离称为函数距离 以旅行时间为例，如果从某一点出发，到另一点的所耗费以旅行时间为例，如果从某一点出发，到另一点的所耗费的时间只与两点之间的欧氏距离成正比，则从一固定点出的时间只与两

15、点之间的欧氏距离成正比，则从一固定点出发，旅行特定时间后所能达到的点必然组成一个等时圆。发，旅行特定时间后所能达到的点必然组成一个等时圆。 现实生活中，旅行所耗费的时间不只与欧氏距离成正比，现实生活中，旅行所耗费的时间不只与欧氏距离成正比，还与路况、运输工具性能等有关，从固定点出发，旅行特还与路况、运输工具性能等有关，从固定点出发，旅行特定时间后所能到达的点则在各个方向上是不同距离的、形定时间后所能到达的点则在各个方向上是不同距离的、形成各向异性距离表面成各向异性距离表面 各向同性表面（简单距离）各向同性表面（简单距离）摩擦距离摩擦距离方位量算方位量算 方位是描述两个物体之间位置关系的另一种度

16、量方位是描述两个物体之间位置关系的另一种度量 空间方位的描述空间方位的描述 定量描述定量描述 定量描述精确地给出空间目标之间的方向，用于方位角、象限定量描述精确地给出空间目标之间的方向，用于方位角、象限角等比率量标角等比率量标 定性描述定性描述 定性描述用有序尺度数据（定性描述用有序尺度数据（Ordinal）概略描述空间方向关系，）概略描述空间方向关系，常用的方法有四方向描述法、八方向描述法和十六方向描述法常用的方法有四方向描述法、八方向描述法和十六方向描述法 X NY,AAA xy,BBB xyOEWSWWNSNNENENEESEESESSESSWSWNWWNWNNW方位角象限角十六方向描述

17、法方位量算方位量算 通常将通常将x轴设为纵轴（正北方向），将轴设为纵轴（正北方向），将y轴设为横轴设为横轴，轴，B相对于相对于A的方位角计算公式为：的方位角计算公式为： 1tan/BABAyyxx线状物体的量算线状物体的量算 长度长度 在矢量数据结构下，线表示为坐标对在矢量数据结构下，线表示为坐标对 或或 序列，在不考虑比例尺的情况下，线状物体长度的计序列，在不考虑比例尺的情况下，线状物体长度的计算公式为算公式为 , x y, ,x y z11/222211101nniiiiiiiiiLxxyyzzl线状物体的量算线状物体的量算 分数维数分数维数 几何分形最基本的研究对象是几何物体的形态，根据

18、几何分形最基本的研究对象是几何物体的形态，根据欧氏几何理论，几何物体可以区分为零维、一维、二欧氏几何理论，几何物体可以区分为零维、一维、二维、三维等，数学上的点、线、面、体，就是典型的维、三维等，数学上的点、线、面、体，就是典型的维数为维数为0，1，2，3的几何物体，物体的维数是以整数的几何物体，物体的维数是以整数表示的表示的 整数表示的维数往往不能充分反映几何物体的某些持整数表示的维数往往不能充分反映几何物体的某些持性性 不同步长测量同一曲线不同步长测量同一曲线 线状物体的量算线状物体的量算 当用步长为当用步长为d的折线去近似代替该曲线时，可知该曲线长的折线去近似代替该曲线时，可知该曲线长度

19、此时为度此时为6d；而当将折线段的步长减小一半，即取步长为；而当将折线段的步长减小一半，即取步长为d/2时，该曲线长度变成时，该曲线长度变成7d。如果再将步长减小为。如果再将步长减小为d/4时，时，此时曲线长度变成此时曲线长度变成8.125d 随着步长的变化，曲线长度也发生变化，但变化率并不相随着步长的变化，曲线长度也发生变化，但变化率并不相等，这一特性是受曲线的一个参数所控制的，这个参数就等，这一特性是受曲线的一个参数所控制的，这个参数就是用分数表示的曲线的维数是用分数表示的曲线的维数分数维分数维，又称，又称HB维维（Hausdorff-Besicovitch），分数维的大小描述了物体），分

20、数维的大小描述了物体的复杂程度的复杂程度线状物体的量算线状物体的量算 曲线的分数维公式曲线的分数维公式 L1、L2分别为用步长为分别为用步长为d1和和d2的尺度去量测曲的尺度去量测曲线时所得的曲线长度线时所得的曲线长度 2121lglgfLLDdd线状物体的量算线状物体的量算 曲率与弯曲度曲率与弯曲度 曲率反映曲线的局部特征曲率反映曲线的局部特征 在数学分析中，线状物体的曲率定义为曲线切线方向在数学分析中，线状物体的曲率定义为曲线切线方向角相对于弧长的变化率角相对于弧长的变化率 设曲线的形式为设曲线的形式为 ，则曲线上的任意一点的曲率，则曲线上的任意一点的曲率 yf x3/221yKy线状物体

21、的量算线状物体的量算 对于以参数形式对于以参数形式 ， 表示的表示的曲线，任一点曲率的计算公式为：曲线，任一点曲率的计算公式为： 弯曲度弯曲度 弯曲度是描述曲线弯曲程度的参数，定义为曲线长度弯曲度是描述曲线弯曲程度的参数，定义为曲线长度与曲线两端点定义的线段长度之比与曲线两端点定义的线段长度之比 xx t yy tt 3/222x yx yKxy /SL l面状物体的量算面状物体的量算 面积面积 面积是面状地物最基本的参数面积是面状地物最基本的参数 梯形法梯形法 基本思想是：在平面直角坐标系中，按多边形定点顺序依次求基本思想是：在平面直角坐标系中，按多边形定点顺序依次求出多边形所有边与出多边形

22、所有边与x轴（或轴（或y轴）组成的梯形的面积，然后求轴）组成的梯形的面积，然后求其代数和其代数和 对于没有空洞的简单多边形，假设有对于没有空洞的简单多边形，假设有N个顶点，其中个顶点，其中S为多边为多边形面积，形面积， 为多边形顶点坐标。其面积计算公式为为多边形顶点坐标。其面积计算公式为 对于有孔或内岛的多边形，分别计算外多边形与内岛面积，其对于有孔或内岛的多边形，分别计算外多边形与内岛面积，其差值为原多边形面积差值为原多边形面积 , x y11101()2niiiiiSxxyy面状物体的量算面状物体的量算矢量数据面积量算示意图矢量数据面积量算示意图 面状物体的量算面状物体的量算 计算周长是使

23、用距离公式计算每条线段长度，再进行累加计算周长是使用距离公式计算每条线段长度，再进行累加 对于用栅格方式表示的面状地物，必须对格网单元集合外对于用栅格方式表示的面状地物，必须对格网单元集合外部的周长单独地识别，周长由格网单元分辨率乘以格网单部的周长单独地识别，周长由格网单元分辨率乘以格网单元地总数来确定元地总数来确定 面状物体的量算面状物体的量算 形状形状 不同的二维平面物体的形状有不同的测度，相似的形不同的二维平面物体的形状有不同的测度，相似的形状应有描述该物体形状的近似数值状应有描述该物体形状的近似数值 用圆来描述多边形形状特征的测量方法叫做测量多边用圆来描述多边形形状特征的测量方法叫做测

24、量多边形的凸度或凹度的方法形的凸度或凹度的方法 矢量多边形凸度公式为矢量多边形凸度公式为 CI为凸度数，为凸度数，k为常数，为常数，P为周长，为周长，S为面积为面积 常数部分根据要描述不规则多边形的圆的大小确定常数部分根据要描述不规则多边形的圆的大小确定kPCIS多边形的凸度多边形的凸度 面状物体的量算面状物体的量算 对于栅格多边形，凸度公式为：对于栅格多边形，凸度公式为： CI为凸度数，为凸度数，P为周长，为周长，S为栅格格式表示的面积为栅格格式表示的面积 质心质心 质心通常定义为一个多边形或面的几何中心质心通常定义为一个多边形或面的几何中心 在某些情况下，质心描述的是分布中心，而不是绝对几何中心在某些情况下，质心描述的是分布中心，而不是绝对几何中心 以某区域的人