第三讲-空间数据组织与管理课件

地理信息系统概论

第三讲空间数据组织与管理地理信息系统概论

第三讲空间数据组织与管理7/31/20232空间数据结构矢量、栅格结构对比空间数据库特点传统数据库模型及特点现行空间数据库管理方案空间数据组织与管理7/31/20232空间数据结构空间数据组织与管理7/31/20233什么是数据模型？从空间认知角度对现实世界进行抽象建模从而得到空间数据模型GIS的核心问题计算机中的现实世界模型数据模型多种多样，没有最好的通用数据模型7/31/20233什么是数据模型？从空间认知角度对现实世界7/31/20234数据模型在GIS中的地位7/31/20234数据模型在GIS中的地位7/31/20235GIS数据模型CAD、遥感影像模型栅格数据模型(RasterDataModel)矢量数据模型(VectorDataModel)对象数据模型（ObjectDataModel)7/31/20235GIS数据模型CAD、遥感影像模型7/31/20236CAD模型7/31/20236CAD模型7/31/20237影像数据模型7/31/20237影像数据模型7/31/20238影像数据模型和栅格数据模型区别Image没有属性数据表，仅一个属性项栅格数据具有属性表，并且可和其他的属性表进行联合运算。应用：影像数据仅作影像处理，而栅格模型可进行空间分析和空间建模7/31/20238影像数据模型和栅格数据模型区别Image7/31/20239矢量数据结构：概念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。几何对象点：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；高级模型不规则三角网；区域；动态分段7/31/20239矢量数据结构：概念矢量数据结构通过记录空7/31/202310矢量数据结构：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技术（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）7/31/202310矢量数据结构：获取方法定位设备（全站仪7/31/202311矢量数据结构：表达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）空间表达=信息结构+操作7/31/202311矢量数据结构：表达内容矢量数据自身的存7/31/202312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Spaghettie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）7/31/202312矢量数据表达—简单数据结构矢量数据结构7/31/202313标识码属性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几何位置矢量数据结构（续）7/31/202313标识码属性空间对象编码数据库独立编码点7/31/202314例：1234567AB多边形编码坐标At123(X1，Y1)(X2，Y2)…Bt124(X1,Y1)(X6,Y6)点号坐标12345(X1，Y1)(X2，Y2)(X3，Y3)(X4，Y4)…多边形编码点号串ABT123t1241,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,17/31/202314例：1234567AB多边形编码坐标A7/31/202315矢量数据表达—拓扑数据结构不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系特点：点是相互独立的，点连成线，线构成面表达对象：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）7/31/202315矢量数据表达—拓扑数据结构矢量数据结构7/31/202316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）7/31/202316拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N7/31/202317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

System9（索引式结构）：面-弧、弧-点

DIME（双重独立编码结构）：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）7/31/202317拓扑结构：部分显式表达用上述部分表格7/31/202318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，多边形转换器）TIGER（美国人口调查局，地理编码和参照系统的拓扑集成）直接存储Arc/Info、GeoStar矢量数据结构（续）7/31/202318拓扑结构：物理实现串行指针矢量数据结构7/31/202319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）7/31/202319拓扑结构：拓扑关系与数据共享

维护数7/31/202320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）7/31/202320拓扑结构：是否需要拓扑结构?应用目的7/31/202321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。7/31/202321矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特7/31/202322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保养单位…………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7/31/202322点状目标标识目标标识地物编码坐7/31/202323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好，精度高7/31/202323矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对7/31/202324

定义

栅格结构：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。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。栅格数据结构7/31/202324定义栅格数据结构7/31/202325一、栅格结构有关概念（续）2.像元－－栅格单元遥感影像：MSS79×79米

SPOT10×10米

TM30×30米

QuickBird0.61×0.61米影像分辨率扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI计算机屏幕分辨率：640×780800×6001024×7687/31/202325一、栅格结构有关概念（续）2.像元－7/31/202326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7/31/202326获取方式：栅格数据结构7/31/202327象元阵列：反映某一空间分布的系列像元队列，其行、列确定每个像元的空间位置。7/31/202327象元阵列：反映某一空间分布的系列像元队7/31/202328象元属性：栅格单元值地理要素的属性特征栅格结构的特点：属性明显，定位隐含7/31/202328象元属性：栅格单元值栅格结构的特点：属7/31/202329点线面7/31/202329点线面7/31/202330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7/31/202330栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X7/31/202331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AB7/31/202331栅格数据结构：单元值确定CAB百分比法7/31/202332三、栅格数据的编码方法1.直接编码－－无压缩编码将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,A7/31/202332三、栅格数据的编码方法1.直接编码－－7/31/202333三、栅格数据的编码方法（续）2.链式编码－－边界链码它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。7/31/202333三、栅格数据的编码方法（续）2.链式编7/31/2023342.链式编码－－边界链码E/0EN/7N/6WN/5W/4WS/3ES/1S/23,1,7,0,1,2,3,4,5,64,1,6,7,0,1,2,3,4,57/31/2023342.链式编码－－边界链码E/0EN7/31/2023353.游程长度编码所谓游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。游程长度的记录方式有两种①记录每个游程起（迄）列号②记录每个游程像元数7/31/2023353.游程长度编码所谓游程是指按行的顺序7/31/2023363.游程长度编码（续）①逐行记录每个游程的迄点列号5，5A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，57/31/2023363.游程长度编码（续）①逐行记录每个7/31/2023373.游程长度编码（续）②记录每个游程象元数5，5A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C，1，A，2D，2，A，37/31/2023373.游程长度编码（续）②记录每个游程象7/31/2023383.游程长度编码（续）②记录每个游程象元数5，52，A3，B1，A3，C1，A1，D2，C2，A……7/31/2023383.游程长度编码（续）②记录每个游程象7/31/2023394.块式编码块式编码是将游程扩大到两维情况，把多边形范围划分成若干具有同一属性的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码的数据结构由初始位置（行列号）、半径和属性代码组成。7/31/2023394.块式编码块式编码是将游程扩大到两7/31/2023404.块式编码（续）MMRMMMMM1234567812345678MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMMRRMMMMMRRRRRM7/31/2023404.块式编码（续）MMR7/31/2023414.块式编码（续）1，1，2，M；1，3，1，R；1，4，1，M；1，5，1，M；1，6，1，M；1，7，2，M2，3，2，R；2，5，1，M；2，6，1，R3，1，1，M；3，2，1，R；3，5，3，R；3，8，1，M4，1，1，M；4，2，3，R;4，8，1，M5，1，1，M；5，8，1，M……MMRMMMMM1234567812345678MMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMMRRMMMMMRRRRRM7/31/2023414.块式编码（续）1，1，2，M；17/31/2023425.四叉树编码四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。四分树将整个图像区域逐步分解为一系列方形区域，且每一个方形区域具有单一的属性。最小区域为一个象元。7/31/2023425.四叉树编码四叉树又称四元树或四分树7/31/2023435.四叉树编码（续）区域分割原则：将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值是否单一决定要不要再分。如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。7/31/2023435.四叉树编码（续）区域分割原则：7/31/2023445.四叉树编码（续）MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM1234567812345678区域分割方法MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM7/31/2023445.四叉树编码（续）MMR7/31/2023455.四叉树编码（续）在四叉树中，不能再分的结点称为叶子结点，可再分的结点称为树杈结点树杈结点叶子结点1234567812345678MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM7/31/2023455.四叉树编码（续）在四叉树中，不能再7/31/2023465.四叉树编码（续）四叉树编码方法NW（0）NE（1）NW（2）SE（3）0层1层2层3层记录每个叶子结点的地址和属性0123202122232002012022032302312322337/31/2023465.四叉树编码（续）四叉树编码方法NW7/31/2023475.四叉树编码（续）美国马里兰大学四叉树编码方法0层1层2层3层012320212223200201202203230231232233该方法用二进制（共32位）记录每个叶结点的地址和属性值，其中地址包括两个部分，即深度和路径。000……001011000011属性编码

22位路径2n位深度4位7/31/2023475.四叉树编码（续）美国马里兰大学四叉7/31/202348栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX一个单独的单元只能被赋予一个值，所以，不同的对象和它们的值必须赋予不同的栅格层（Layer），每个层只能处理一个专题(Thesis)。栅格数据库可能包含上百个专题层。矢量模型中，属性被直接赋予对象7/31/202348栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑7/31/202349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n7/31/202349栅格数据结构：数据组织栅格数据文件像元7/31/202350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7/31/202350栅格数据结构：特点离散的量化栅格值表示7/31/202351abc345abcac距离:7/4(5)面积:7(6)几何偏差属性偏差7/31/202351abc345abcac距离:7/47/31/202352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7/31/202352矢量栅格数据较比矢量数据优点：栅格数据7/31/202353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7/31/202353数据结构选择原则要素还是位置？7/31/202354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7/31/202354空间数据管理：空间数据库数据库7/31/202355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多尺度与多态性分类编码特征海量数据特征7/31/202355空间数据管理：空间数据库（续）空间数据7/31/202356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7/31/202356传统数据库与空间数据库的比较传统数据库7/31/202357标准DBMS存储空间数据的局限性空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作不能支持复杂的图形功能单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护7/31/202357标准DBMS存储空间数据的局限性空间数7/31/202358空间数据库影像数字高程模型DEM空间对象图形属性7/31/202358空间数据库影像数字高程模型DEM空间对7/31/202359GIS的数据管理方法GIS应用软件空间及属性数据文件GIS应用软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库GIS应用软件空间及属性数据库用户设计的数据库GIS应用软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS7/31/202359GIS的数据管理方法GIS应用软件空间7/31/202360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。7/31/202360现行空间数据库管理方案基于文件与关系式7/31/202361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7/31/202361文件关系数据库混合管理方案属性数据建7/31/202362不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、面）,将产生不同的Shape文件，同时对每一个要素自动产生一个特征码（FeatureID）。图层i图层j点文件i线文件i面文件i点文件j线文件j面文件jShape文件7/31/202362不同的层以及同一层中不同图形要素类型（7/31/202363用户可以不使用特征码而自己设定标识码XXXXXXXXXX大类码小类码一级代码二级代码要素类型识别位7/31/202363用户可以不使用特征码而自己设定标识码X7/31/202364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7/31/202364全关系式数据库管理方案属性数据、几何数7/31/202365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，没有解决数据的嵌套问题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）7/31/202365对象关系数据库管理方案对现有的关系数据7/31/202366面向对象的几何抽象类型

GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。7/31/202366面向对象的几何抽象类型GIS中的各种7/31/202367面向对象的属性数据模型

GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。7/31/202367面向对象的属性数据模型GIS中的地物7/31/202368面向对象数据库系统的实现方式

面向对象的数据模型从概念上将人们对GIS的理解提高到了一个新的高度。一方面，它巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。另一方面，面向对象数据模型