空间数据组织与管理课件

空间数据组织空间数据管理空间数据组织空间数据管理1空间数据结构矢量数据结构栅格数据结构矢量、栅格结构对比空间数据库特点传统数据库模型及特点层次数据模型网络数据模型关系数据模型现行空间数据库管理方案混合数据管理模式扩展数据管理模式统一数据管理模式空间数据组织与管理空间数据结构空间数据组织与管理2定义：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；获取方法定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）地图数字化间接获取栅格数据转换空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）矢量数据表达考虑内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）矢量数据表达简单数据结构拓扑数据结构属性数据组织矢量数据结构定义：矢量数据结构3矢量数据表达—简单数据结构只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。又称面条结构。存储：独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成特征无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；处理嵌套多边形比较麻烦适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析矢量数据结构（续）矢量数据表达—简单数据结构矢量数据结构（续）4标识码属性码空间对象编码唯一连接几何和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法矢量数据结构（续）标识码属性码空间对象编码数据库独立编码点:(x,y)5矢量数据表达—拓扑数据结构不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系表达对象：关联关系表达方式全显式表达部分显式表达拓扑关系物理实现直接存储串行指针拓扑关系与数据共享采用拓扑关系的原则矢量数据结构（续）矢量数据表达—拓扑数据结构矢量数据结构（续）6拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面矢量数据结构（续）拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A27拓扑结构：部分显式表达用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系

System：面-弧、弧-点DIME：弧-点、弧-面目前商用GIS还没有超出上述四个表格的拓扑关系矢量数据结构（续）拓扑结构：部分显式表达用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系8拓扑结构：物理实现串行指针面-弧、点-弧：变长记录，不方便直接存储POLYVRT（美国计算机图形及空间分析实验室）TIGER（美国人口调查局）直接存储Arc/Info、GeoStar矢量数据结构（续）拓扑结构：物理实现串行指针矢量数据结构（续）9拓扑结构：拓扑关系与数据共享

维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点矢量数据结构（续）拓扑结构：拓扑关系与数据共享

维护数据的一致性拓扑:移动结10拓扑结构：是否需要拓扑结构?应用目的制图或一般查询，可不要拓扑结构空间分析，则应建立拓扑关系服务对象和系统数据结构面状目标：面-弧、弧-面网络目标：点-弧、弧-点矢量数据结构（续）拓扑结构：是否需要拓扑结构?应用目的矢量数据结构（续）11矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特征类型类别特征：是什么说明信息：同类目标的不同特征属性特征表达类别特征：类型编码说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记录号实现。矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特征类型12点状对象目标标识目标标识地物编码坐标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位…………面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构……空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性点状目标标识目标标识地物编码坐标关联的线目标精度控13矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系面向目标操作，精度高，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合输出图形质量号，精度高矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属14

定义以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。或者说，栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。获取方式：遥感数据图片扫描数据矢量数据转换手工方式栅格数据坐标系栅格数据压缩编码方案栅格数据的分层栅格数据的组织方法栅格数据特点栅格数据结构定义栅格数据结构15点线面点线面16栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率格网方向栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标格网17栅格数据结构：单元值确定CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB栅格数据结构：单元值确定CAB百分比法面重中心点法ACAAB18栅格数据结构：压缩编码方案AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码游程长度编码逐行编码数据结构:行号,属性,重复次数1,A,4,R,1,A,4块状编码正方形区域为记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码栅格数据结构：压缩编码方案AAAAARAAARAAARAAR19栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX20栅格数据结构：数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值…层n属性值…像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2…X,Y,属性值像元2X,Y,属性值……像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1多边形1层2…属性值像元1坐标…多边形N像元n坐标层n栅格数据结构：数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性21栅格数据结构：特点离散的量化栅格值表示空间对象位置隐含,属性明显数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大几何和属性偏差面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系栅格数据结构：特点离散的量化栅格值表示空间对象22abc345abcac距离:7/4(5)面积:7(6)几何偏差属性偏差abc345abcac距离:7/4(5)几何偏差属性23矢量栅格数据较比矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时矢量栅格数据较比矢量数据优点：栅格数据优点：24数据结构选择原则要素还是位置？可获取的数据定位要素的必要精度需要什么类型的要素需要什么类型的拓扑关联所需空间分析类型生产地图类型数据结构选择原则要素还是位置？25空间数据管理：空间数据库数据库定义：数据库是为一定目的服务，以特定结构存储的相关联的数据的集合。特点：数据独立于应用程序而集中管理数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系数据模型层次模型网络模型关系模型空间数据管理：空间数据库数据库26空间数据管理：空间数据库（续）空间数据库定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合特点：数据量特别大属性数据和空间数据联合管理数据应用范围广泛空间数据库的数据特征空间特征非结构化特征空间关系特征分类编码特征海量数据特征空间数据管理：空间数据库（续）空间数据库27传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/相关性不连续相关性小连续较强空间相关性实体类型/空间关系少简单固定多复杂且不固定记录长度结构化等长非结构化不等长查询与操作文字、数字文字数字空间图形传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/28现行空间数据库管理方案基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案基于关系式数据库的空间数据管理方案基于对象—关系式数据库的空间数据管理方案。现行空间数据库管理方案基于文件与关系式数据库的空间数据混合管29文件关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，GenMap等几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发文件关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据30全关系式数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作GIS软件：System9，SmallWorld、Geovision等GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间数据库关系表二进制块全关系式数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式数据库31对象关系数据库管理方案对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储GIS软件：TIGER，Geo++、GeoTropics等GIS界面空间数据处理DBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）对象关系数据库管理方案对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数32GIS空间数据组织研究区域GIS工程并发控制空间索引工作区1工作区2工作区n工作层地物类逻辑层Arc/InfoMGEGeoStar属性数据Arc/InfoMGEGeoStarGIS空间数据组织研究区域GIS工程并发控制空间索引工作区133空间数据索引空间索引概念根据空间对象位置和形状或空间对象的某种空间关系，按一定顺序排列的数据结构，包含空间对象的概要信息，以提高空间操作的效率GIS中引入空间索引的必要性工作区建立查询、显示数据提取常见空间索引方法对象范围索引格网索引四叉树索引R树和R+树索引空间数据索引空间索引概念34空间索引：对象范围索引IDXmaxXminYmaxYmin1…………2…………3………………………4YmaxYminXminXmax空间对象集合123456检索窗口XNYWYEXSXmax≥XNORXmin≤XSORYmax≥YEORYmin≤YW空间对象不被检索XE≤Xmax，Xmin≤XNANDYW≤Ymax，Ymin≤YE空间对象被检索XNYWYEXS236空间索引：对象范围索引IDXmaxXminYmaxYmin135空间索引：格网索引P(3,3)=6P(3,1)=4P(3,2)=103412P(2,3=1P(2,1)=7P(2,2)=83142头指针IDP1020304052607334123142375210489168590109链指针空间索引：格网索引P(3,3)=6P(3,1)=4P(3,236空间索引：四叉树索引空间索引：四叉树索引37空间索引：R树和R+树索引空间索引：R树和R+树索引38空间数据组织空间数据管理空间数据组织空间数据管理39空间数据结构矢量数据结构栅格数据结构矢量、栅格结构对比空间数据库特点传统数据库模型及特点层次数据模型网络数据模型关系数据模型现行空间数据库管理方案混合数据管理模式扩展数据管理模式统一数据管理模式空间数据组织与管理空间数据结构空间数据组织与管理40定义：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；获取方法定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）地图数字化间接获取栅格数据转换空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）矢量数据表达考虑内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）矢量数据表达简单数据结构拓扑数据结构属性数据组织矢量数据结构定义：矢量数据结构41矢量数据表达—简单数据结构只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。又称面条结构。存储：独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成特征无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；处理嵌套多边形比较麻烦适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析矢量数据结构（续）矢量数据表达—简单数据结构矢量数据结构（续）42标识码属性码空间对象编码唯一连接几何和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1

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)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法矢量数据结构（续）标识码属性码空间对象编码数据库独立编码点:(x,y)43矢量数据表达—拓扑数据结构不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系表达对象：关联关系表达方式全显式表达部分显式表达拓扑关系物理实现直接存储串行指针拓扑关系与数据共享采用拓扑关系的原则矢量数据结构（续）矢量数据表达—拓扑数据结构矢量数据结构（续）44拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面矢量数据结构（续）拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A245拓扑结构：部分显式表达用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系

System：面-弧、弧-点DIME：弧-点、弧-面目前商用GIS还没有超出上述四个表格的拓扑关系矢量数据结构（续）拓扑结构：部分显式表达用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系46拓扑结构：物理实现串行指针面-弧、点-弧：变长记录，不方便直接存储POLYVRT（美国计算机图形及空间分析实验室）TIGER（美国人口调查局）直接存储Arc/Info、GeoStar矢量数据结构（续）拓扑结构：物理实现串行指针矢量数据结构（续）47拓扑结构：拓扑关系与数据共享

维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点矢量数据结构（续）拓扑结构：拓扑关系与数据共享

维护数据的一致性拓扑:移动结48拓扑结构：是否需要拓扑结构?应用目的制图或一般查询，可不要拓扑结构空间分析，则应建立拓扑关系服务对象和系统数据结构面状目标：面-弧、弧-面网络目标：点-弧、弧-点矢量数据结构（续）拓扑结构：是否需要拓扑结构?应用目的矢量数据结构（续）49矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特征类型类别特征：是什么说明信息：同类目标的不同特征属性特征表达类别特征：类型编码说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记录号实现。矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特征类型50点状对象目标标识目标标识地物编码坐标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位…………面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构……空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性点状目标标识目标标识地物编码坐标关联的线目标精度控51矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系面向目标操作，精度高，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合输出图形质量号，精度高矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属52

定义以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。或者说，栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。获取方式：遥感数据图片扫描数据矢量数据转换手工方式栅格数据坐标系栅格数据压缩编码方案栅格数据的分层栅格数据的组织方法栅格数据特点栅格数据结构定义栅格数据结构53点线面点线面54栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率格网方向栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标格网55栅格数据结构：单元值确定CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB栅格数据结构：单元值确定CAB百分比法面重中心点法ACAAB56栅格数据结构：压缩编码方案AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码游程长度编码逐行编码数据结构:行号,属性,重复次数1,A,4,R,1,A,4块状编码正方形区域为记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码栅格数据结构：压缩编码方案AAAAARAAARAAARAAR57栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX58栅格数据结构：数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值…层n属性值…像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2…X,Y,属性值像元2X,Y,属性值……像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1多边形1层2…属性值像元1坐标…多边形N像元n坐标层n栅格数据结构：数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性59栅格数据结构：特点离散的量化栅格值表示空间对象位置隐含,属性明显数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大几何和属性偏差面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系栅格数据结构：特点离散的量化栅格值表示空间对象60abc345abcac距离:7/4(5)面积:7(6)几何偏差属性偏差abc345abcac距离:7/4(5)几何偏差属性61矢量栅格数据较比矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时矢量栅格数据较比矢量数据优点：栅格数据优点：62数据结构选择原则要素还是位置？可获取的数据定位要素的必要精度需要什么类型的要素需要什么类型的拓扑关联所需空间分析类型生产地图类型数据结构选择原则要素还是位置？63空间数据管理：空间数据库数据库定义：数据库是为一定目的服务，以特定结构存储的相关联的数据的集合。特点：数据独立于应用程序而集中管理数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系数据模型层次模型网络模型关系模型空间数据管理：空间数据库数据库64空间数据管理：空间数据库（续）空间数据库定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合特点：数据量特别大属性数据和空间数据联合管理数据应用范围广泛空间数据库的数据特征空间特征非结构化特征空间关系特征分类编码特征海量数据特征空间数据管理：空间数据库（续）空间数据库65传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/相关性不连续相关性小连续较强空间相关性实体类型/空间关系少简单固定多复杂且不固定记录长度结构化等长非结构化不等长查询与操作文字、数字文字数字空间图形传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/66现行空间数据库管理方案基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案基于关系式数据库的空间数据管理方案基于对象—关系式数据库的空间数据管理方案。现行空间数据库管理方案基于文件与关系式数据库的空间数据混合管67文件关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，GenMap等几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发文件关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据68全关系式数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理