第6章-典型数据库系统简介

空间数据库技术

李瑞改第六章典型数据库系统简介第6章典型空间数据库系统简介6.1三维空间数据库6.2海量空间数据库6.1三维空间数据库随着计算机软硬件技术、图形学、空间测量、空间数据存储等技术的日益成熟，地理信息系统（GIS）由二维向三维的转变已成为必然的发展趋势。三维空间数据模型研究已成为三维GIS领域内的研究热点和难点，也是空间信息可视化的基础。如何高效地组织和管理三维空间数据，构建易于交互的三维空间模型已成为三维GIS成功应用的关键。目前，由于三维GIS的理论与技术尚不成熟，其应用主要集中于地质、矿山、数字城市等一些特殊的领域，并且提供的功能也非常有限。6.1.1空间维数讨论2DGIS：以平面制图和平面分析为主要功能的GIS。2.5DGIS：在2DGIS的基础上增加了高程信息，可以构建数字高程模型（DEM）或数字地形模型（DTM）的GIS。2.75DGIS、假-3DGIS或伪-3DGIS：只描述3D空间实体的外部轮廓，不表达其内部属性。为表达准确，采用准3DGIS。真-3DGIS：以体元的方式在描述3D空间实体的外部轮廓的同时，还表达其内部属性。空间维数分析6.1.1空间维数讨论（1）2DGIS仅是将平面坐标(x,y)作为独立参数来进行平面对象的几何建模，其数学表示为：；其空间构模方式为矢量或栅格方式。（2）2.5DGIS中高程仅作为一个属性值，数学表示为：与，或表示为；其空间构模方式为矢量或栅格方式，典型的DTM一般采用TIN或Grid方式。（3）准-3DGIS是在DTM之上叠加地面建筑设施的3D造型，如CSG模型、TEN模型，通常两者是分离的；而准-3DGMS，则是基于面元构模，因而无法处理垂向上两个以上的采样值或界面，无法进行任意剖面切割。两者均无法进行3D空间查询和3D空间分析等真-3D操作，更无法进行一体化空间操作和空间分析。（4）真-3DGIS，则是将3D空间坐标（x,y,z）作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表示为：；且必须采用3D矢量构模或3D体元构模方式。因而所建立的模型不仅可以实现真3D可视化，还可以进行3D空间分析。比较二维GIS2.5维GIS三维GIS6.1.2空间建模技术分类3D空间构模方法研究是目前3DGIS领域以及3DGMS领域研究的热点问题。许多专家学者在此领域做了有益的探索。地质、矿山领域的一些专家学者，围绕矿床地质、工程地质和矿山工程问题，对3DGMS的空间构建问题进行了卓有成效的理论与技术研究，加拿大、澳大利亚、英国、南非等国还相继推出了一批在矿山和工程地质领域得到推广应用的3DGMS软件。6.1.2空间建模技术分类根据对现实世界提取方式的不同：[1]基于镶嵌的数据模型[2]基于矢量的数据模型[3]分析型数据模型[4]混合数据模型三维空间数据模型基于镶嵌的数据模型基于矢量的数据模型分析型数据模型混合型数据模型单元分解法空间枚举法单纯形剖分模型四面体格网法(TEN)三维格网等平面八叉树(Octree)线框表示法实体模型三维形式化数据模型Vector3D(V3D)数据模型基于表面剖分的空间数据模型构造几何体法(CSG)面向对象的数据模型Qctree+TENOctree+CSGOctree+TIN...…...…非均匀有理B样条函数表示(NURBS)...…G八叉树Polytree...…一、基于镶嵌的数据模型基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何体素（体元）,它可以看成是二维栅格模型的扩展。该模型具有结构简单、便于空间分析的特点,但表达空间位置的几何精度低,也不适合于表达和分析实体之间的空间关系,同时,数据量较大、处理速度慢。规则体元模型非规则体元模型(1)四面体格网模型(TEN)四面体格网（TetrahedralNetwork—TEN）是一种特殊形式的栅格模型，该模型以四面体作为描述空间实体的基本几何元素，将任意一个三维空间实体划分为一系列邻接但不重叠的不规则四面体。四面体格网由点、线、面和体四类基本元素组合而成。每个四面体包含4个三角形，每个三角形包括3条边，每条边与两个点相关联。其实质是2DTIN结构在3D空间上的扩展。

用四面体格网表示三维空间物体的例子及其数据结构三维TIN(2)八叉树模型（Octree）八叉树数据结构是三维栅格数据的压缩形式，是二维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广，该数据结构是将所要表示的三维空间V按X、Y、Z三个方向从中间进行分割，把V分割成八个立方体，然后根据每个立方体中所含的目标来决定是否对各立方体继续进行八等分的划分，一直划分到每个立方体被一个目标所充满，或没有目标，或其大小已成为预先定义的不可再分的体素为止。八叉树可分为常规八叉树、线性八叉树和三维行程编码八叉树(3DRD)[按照存储结构分]。某个子立方体被八等分

体元形式的三维数据八叉树编码

编码如图所示的空间物体，其八叉树的逻辑结构可按下图表示。

小圆圈表示该立方体未被某目标填满，或者说它含有多个目标在其中，需要继续划分;

有阴影线的小矩形表示该立方体被某个目标填满;空白的小矩形表示该立方体中没有目标，这两种情况都不需继续划分。二、基于矢量的数据模型基于矢量的数据模型以物体边界为基础定义和描述几何形体,并能给出完整和显式界面描述的方法。三维边界表示法通过指定顶点位置、构成边的顶点以及构成面的边来表示三维物体的方法被称为三维边界表示法。比较常用的三维边界表示法是采用三张表来提供点、边、面的信息，这三张表就是：顶点表，用来表示多面体各顶点的坐标；边表，指出构成多面体某边的两个顶点；面表，给出围成多面体某个面的各条边。对于后两个表，一般使用指针的方法来指出有关的边、点存放的位置。空间目标描述零维点状地物由一组（X，Y，Z）坐标定义空间位置的点状目标。如：水井，灯塔。结点用来表示线段拓扑关联和几何位置的点。如：组成多边形的弧段的端点。一维拓扑弧段具有起点和终点，不分叉，不相交，以及左右多边形（组成多边形的弧段需有此信息）的线段。形状可以是折线/曲线等。如多边形的边界线、地下管线等。无拓扑弧段简单的不分叉几何线段，无需起终点，方向和左右多边形。形状可以是折线/曲线等。如：等高线。线状地物由一条或若干条弧段形成的目标。如：道路。二维无拓扑面片由一条或若干条无拓扑弧段围成的封闭区域，可以是平面或曲面/规则或不规则。如：六角形面片。有拓扑面片由一条或若干条有拓扑弧段围成的封闭区域，可以是平面或曲面/规则或不规则。由弧段方向定义面片方向，具有左右体目标。如：四面体的表面三角形。面状地物由一个或若干个面片形成的目标，或由数字表面模型表示的目标。如：地块。像素二维数字影像中最小的不可再分的单元。数字表面模型(DSM)用格网或TIN表示的面状目标。具有任意投影方向，可以表示地面和地下面状目标。如：地质层面。三维体状地物由一个或若干个面片构成的体状目标，或由数字立体模型表示的目标，可以是实心或空心，均值或非均值。如：建筑物。体元三维栅格表示中最小的不可再分的单元。数字立体模型(DVM)用三维格网或TEN表示的体状目标，具有任意投影方向，可以表示地面和地下体状目标。如：矿体。三、分析型数据模型分析型数据模型又称参数函数表示法，它可以描述三维空间中的线、面和体目标，其指导思想就是利用有限的空间数据，来寻求一个函数的解析式，用这个解析式来生成新的空间点，用以逼近原有物体。(1)三维空间的曲线

用参数函数来表示三维空间的曲线,其思想类似于“GIS数据处理”中的“曲线拟合”，只不过是将二维空间向三维空间进行扩展。

(2)三维空间的曲面用参数函数来表示三维空间的曲面,其实质就是“数字高程模型”中的数字方法，数字高程模型的解析式是V=f（x，y），其中V为在空间（x，y）点上的高程值或特征值，这个解析式只能表示或获取地表信息。(3)三维空间体

用三维（立体）数据模型V=f（x，y，z）可以描述地表内部的信息（如矿体、水体、地质状况等），其中x，y，z是三维空间连续自由变化的点坐标，V是对应于坐标点的属性值（特征值）。

四、混合型数据模型基于面模型的构模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等，通过表面表示形成3D目标的空间轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是难以进行空间分析。基于体模型的构模方法侧重于3D空间实体的边界与内部的整体表示，如地层、矿体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3D目标的空间表示，优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计算速度慢。混合模型的目的则是综合面模型和体模型的优点，以及综合规则体元与非规则体元的优点，取长补短。四、混合型数据模型基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合,形成一种具有一体化结构的数据模型。以适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。6.2海量空间数据库随着GIS应用领域的不断扩大，如城市规划系统、地下管网管理系统、土地管理系统、公安警用系统等，由于其管理的数据量很大，且比例尺也大。所以，靠对单幅图的管理已不能适应应用的需要。目前，象上述这样的一些GIS应用系统，多数都是以图幅为单位进行管理。即按图幅将大区域空间数据进行分割，现在世界各国的一般方法是采用经纬线分幅或采用规则矩形分幅。6.2海量空间数据库图幅间的邻接关系6.2海量空间数据库6.2.1数据库中图幅的组织方法

海量空间数据库是以图幅为单位进行管理。即是在数字化录入和数据编辑等操作时，均是对单幅图处理。然后再将这些图幅组织到一个空间中。

6.2.1数据库中图幅的组织方法在组织这个大区域空间时，首先得为此空间的组织形式进行定义。其中包括：坐标单位、经度和纬度跨度（用经纬线分幅时）、比例尺、图幅的宽和高（用矩形分幅时）、地图投影类型、椭球体参数等。这就意味着在数据库中的所有图幅都须按定义的形式进行录入。在大区域空间的组织形式确定后，就可逐一将图幅输入库中。输入时须指出该图幅的文件名（可能一个图幅含有多个文件）和用于确定图幅在库中的位置的横向纵向序号（矩形分幅）或左下角经纬度（经纬线分幅）。对系统而言，当用户要求按某局部范围进行检索时，系统可对所指定范围对应的图幅文件进行检索；当用户要求按分类要素进行检索时，系统可根据图幅之间的邻接关系将所有需要的要素检索出来。6.2.2图幅间被分割目标的组织方法

将图幅输入库中时，还未建立相邻图幅间同一目标的联系。这种联系可以在用户做相邻图幅的拼接时（通过自动或人工方式进行相邻图幅间同一目标的连接），由系统将这种联系记入系统中。系统中被分割目标的联系的组织和管理方式，是海量空间数据库管理系统的一个重要内容。有两种方式来组织这种联系：统一建立和管理整个空间的所有目标的联系只建立和管理被分割目标的联系。6.2.2图幅间被分割目标的组织方法一、整个空间目标统一组织和管理方式这种组织方式是建一个全库索引表，将整个空间的所有目标及其分属的图幅号均放入索引表中。6.2.2图幅间被分割目标的组织方法一、整个空间目标统一组织和管理方式这种用全库索引表来表示不同图幅间目标的连接关系，比较简单、明了。缺点是：索引表比较大，而大多情况下，真正被分割到多个图幅上的目标是少数。6.2.2图幅间被分割目标的组织方法二、只建立和组织被分割目标方式这种方式是只将被分割的目标放在索引表中，显然，此索引表要比上述的全库索引表要小得多。在建库和图幅入库时，索引表是空的。当进行图幅拼接时，每拼接一个目标，就将该目标的信息（包括该目标分别在两个图幅中的编号）插入索引表中的适当位置（有可能该目标还与第三个图幅有关，且已记入索引表中）。在检索目标时，可根据所要检索的图幅号来查询索引表，从中找出符合要求的完整的目标对象。对索引表中没有的目标，可直接查询该图幅中的目标信息即可。6.2.3海量影像数据库一、基本概念1.影像文件影像文件是数字图像组织形式，通过对数字图像主要信息（如图像行列数和像元值）和相关描述信息（如图像的来源、生成时间等）进行逻辑上的组织，并记录到某种媒体中，以文件的方式保存起来。2．多波段影像数据多波段影像数据是在一个影像文件中，保存有多幅具有某种关系的灰度图像，通常要求多幅灰度图像具有相同的行列数和数据类型。3．影像数据库影像数据库是指多幅相关影像文件的集合。影像数据库可采用文件方式管理，也可采用关系型数据库管理系统进行管理。6.2.3海量影像数据库一、基本概念4．地理空间影像库的特点（1）图像具有地理坐标的概念；（2）图像的数据来源广泛，数据量大；（3）图像在地域上覆盖范围广泛，需考虑地图投影；（4）需考虑多数据源的图像的统一管理与显示。6.2.3海量影像数据库二、海量影像数据库的管理为了提高影像数据库的实时缩放显示速度，快速地获得多尺度的影像信息，需要对不同尺度的影像信息进行有效的组织管理。影像数据的分块组织和影像数据的多尺度是解决上述问题的两个关键技术。研究分块组织和多尺度组织的数据结构、块检索机制和相关算法是提高影像数据库系统效率的关键。6.2.3海量影像数据库二、海量影像数据库的管理1．影像文件的金字塔、多尺度管理影像文件的金字塔结构是由原始影像数据开始，建立起一系列影像，各幅影像反映了不同的详尽程度。原始影像数据反映详情；其他由原始影像生成的影像反映原始影像的概貌。利用影像文件金字塔结构的不同层具有不同的分辨率的特点，在对影