第五章-空间数据组织与管理

第5章空间数据组织与管理10/3/11第5章空间数据组织与管理5.1空间数据库概述5.2空间数据库管理5.3空间数据组织5.4空间索引5.5空间数据库查询语言5.1空间数据库概述数据库定义：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库管理的阶段：人工管理阶段文件管理阶段数据库管理阶段数据模型层次模型网络模型关系模型面向对象模型数据的组织方式数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。数据项:是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。记录:由若干相关联的数据项组成。文件:文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。数据库:是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。5.1空间数据库概述5.1空间数据库概述空间数据库定义：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5.1空间数据库概述5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理5.2.1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5.2空间数据库管理5.2.2矢量数据的管理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。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5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理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5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理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，效率较高没有解决对象嵌套问题，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）5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理栅格数据的管理：1、文件管理方式2、文件—数据库管理方式3、关系数据库管理方式5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理实施这种方式管理影像数据时，影像数据仍按照文件方式组织管理；在关系数据库中，每个文件都有唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件名称、存储路径等。这种方式管理影像数据，不是真正的数据库管理方式，影像数据并没有放入数据库中，数据库管理的只是其索引。由于影像数据索引的存在，使影像数据的检索效率得到提高。5.2空间数据库管理5.2空间数据库管理空间数据引擎主要是为解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问题。这是SDE的实质目前空间数据库引擎主要有两种主要方式1、以ESRI与数据库开发商联合开发的空间引擎SDE为代表，可称之为“中间件”方式的空间数据库引擎。2、另一种空间数据引擎由数据库厂商开发。这些厂商凭借其在数据库核心技术上的优势，在关系数据库管理系统本身作出扩展，使之支持空间数据管理。如Oracle公司的Spatial即是支持空间数据管理的专用模块，这种方式可成为“嵌入式”空间数据库引擎。比较成熟的有GIS厂商ESRI公司的ArcSDE，MapInfo公司的SpatialWare，数据库厂商Oracle公司的Spatial，Informix公司的SpatialDataB1ade等产品和技术。5.2空间数据库管理空间数据库引擎ArcSDE原理示意图ArcSDE，即数据通路，是ArcGIS的空间数据引擎，它是在关系数据库管理系统（RDBMS）中存储和管理多用户空间数据库的通路。从空间数据管理的角度看，ArcSDE是一个连续的空间数据模型，借助这一空间数据模型，可以实现用RDBMS管理空间数据库。在RDBMS中融入空间数据后，ArcSDE可以提供空间和非空间数据进行高效率操作的数据库服务。ArcSDE采用的是客户/服务器体系结构，所以众多用户可以同时并发访问和操作同一数据。ArcSDE还提供了应用程序接口，软件开发人员可将空间数据检索和分析功能集成到自己的应用工程中去。

5.3空间数据组织

无论采用上述何种模式管理空间数据，空间数据的组织方式均非常重要。不同的管理模式所对应的空间数据组织方式可能不一样，不同的GIS系统之间，其空间数据组织方式也不相同。下面以文件-关系型管理模式为例，讨论空间数据的组织问题5.3空间数据组织5.3.1图幅数据组织为什么要分幅？

GIS中将某一问题域或某一项GIS任务称为一个GIS工程。常见的分幅方式工作区根据需要往往将一幅或相邻几幅图当作一个工作单元工作层工作层被定义为空间数据处理的一个工作单元，工作区由若干工作层组成。GIS工程 工作区1

工作区2 工作区m 工作层1 图幅2

图幅n

图幅1

工作层2 工作层p

地物类2

地物类1 地物类q

地物1

地物2 地物r …….

…….

……. ……. ……. 图GIS数据的组织管理结构

5.3空间数据组织5.3空间数据组织在工作层的基础上，如果研究对象过于庞杂（例如所有地物类），或者需要分类研究，或者为了显示、制图和查询方便，仍需要对其进行分层，此时进行可以进行逻辑层（logiclayer）的划分。如研究全国道路交通网，可以需要分别研究铁路、公路（高速公路、等级公路、等外公路）等，此时，可以在道路层的基础上划分逻辑层地物类是类型相同的地物总称。同类地物一般用相同的显示颜色和绘图符号表示，而且严格按照点状地物类、线状地物类和面状地物类进行划分。有些软件将点状地物、线状地物、面状地物分不同的数据文件进行管理，如ARC/INFO；而MGE、GeoStar则将工作区中的所有地物（无论点、线、面）用一个文件进行统一管理。5.3空间数据组织5.3空间数据组织5.3.2空间数据库的图库管理当GIS所管理的区域和所要求的比例尺都比较大时，如在城市规划管理信息系统中，数据库会包含大量的图幅，涉及多个工作区及很多工作层的数据组织和管理，这时一个GIS系统会包含几百、几千，甚至上万个工作区。GIS软件必须让用户能在整个区域内进行众多图幅（分区）、工作层的调用，图幅拼接和跨图幅的剪切、开窗，跨图幅工作层的漫游、查询、分析和制图等。这就涉及到图库的管理。在无缝大地图的方式下，图库管理职能通过有效的分幅（分区）、分层的空间索引，以满足用户对具体的局部区域和专题层的操作、检索的需要。图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型GIS软件的必备功能，其管理效率是衡量GIS软件优劣的重要指标之一。为了提高海量空间数据的管理效率，GIS必须建立强有力的空间索引和查询机制。5.3空间数据组织5.3.3属性数据组织属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文件组织方式也要服从上述工作层、工作区和图库的要求，以便于图形文件协调工作，共同组成工作区、工作层，并进行跨图幅操作。属性数据组织的三种方式⑴与工作层对应的组织方式Arc/Info⑵与地物类对应的组织方式MGE⑶混合方式GeoStar

5.4空间索引经对研究区空间数据输入并建立空间数据库以后，得到了一个庞大的数据库，如何从该数据库中快速检索、提取所需的空间数据来满足空间分析、模拟与决策的需要是一个重要的问题。空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系统的整体性能，它是空间数据库和地理信息系统的一项关键技术。常见的空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构空间索引，比较有代表性的包括BSP树、K-D-B树、R树、R+树和CELL树等以及格网索引在记录每个空间实体的坐标时，记录包围每个空间实体的外接矩形的最大最小坐标。这样，在检索空间实体时，根据空间实体的最大最小范围，预先排除那些没有落入检索窗口内的空间实体，仅对那些外接矩形落在检索窗口的空间实体作进一步的判断，最后检索出那些真正落入窗口内的空间实体。

A 查询窗口

B C E F D 图

基于实体范围的空间数据检索

5.4空间索引---------5.4.1对象范围索引§5.7.3格网索引基本思想是将研究区域用横竖线条划分大小相等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实体。当用户进行空间查询时，首先计算出用户查询对象所在格网，然后再在该网格中快速查询所选空间实体，这样一来就大大地加速了空间索引的查询速度。没有包含空间实体的格网，在索引表中没有出现该编码，即没有该条记录。如果一个格网中含有多个地物，则需要记录多个实体的标识

CABGDF5.4空间索引-------5.4.2四叉树空间索引§5.7.2四叉树空间索引在建立四叉树索引时，根据所有空间对象覆盖的范围，进行四叉树分割，使每个子块中包含单个实体，然后根据包含每个实体的子块层数或子块大小，建立相应的索引。在四叉树索引中，大区域空间实体更靠近树的根部，小实体位于叶端，以不同的分辨率来描述不同实体的可检索性。5.4空间索引§5.7.3

R树和R+树空间索引与实体范围索引类似，R树和R+树利用空间实体的外接矩形来建立空间索引。就R树而言，认为有N个实体被N个外接矩形（Rectangles，R）所包围，现欲寻找某一特定的矩形，或是检索一个矩形中某一特定的点，若对数据不进行适当组织的话，那么测试的次数与外接矩形的个数成正比。假如有成千上万个矩形，则检索特定的空间数据所需的时间太多，检索效率低下。R树空间索引不仅利用单个实体的外接矩形，还将空间位置相近的实体的外接矩形重新组织为一个更大的虚拟矩形。在构造虚拟矩形时，虚拟矩形方向与坐标方位轴一致，同时满足以下条件：包含尽可能多的空间实体；矩形间的重叠率尽可能少；允许在每个矩形内再划分小矩形。对这些虚拟的矩形建立空间索引，它含有指向所包围的空间实体的指针。5.4空间索引-------5.4.3

R树和R+树空间索引R树空间索引就是按包含实体的矩形来确定的，树的层次表达了分辨率信息，每个实体与R树的结点相联系，这点与四叉树相同。矩形的数据结构为：

RECT（Rectangle-ID，Type，Min-X，Min-Y，Max-X，Max-Y）其中Rectangle-ID为矩形的标识符；Type用于表示矩形的类别是实体的外接矩形还是虚拟矩形；Min-X、Min-Y为该矩形的左下角坐标；Max-X，Max-Y为该矩形的右上角坐标。5.4空间索引-------5.4.3

R树和R+树空间索引R树结构示意图5.4空间索引-------5.4.3

R树和R+树空间索引在构造R树时，要求虚拟矩形之间尽量不要相互重叠，而且一个空间实体通常仅被一个同级虚拟矩形所包围。但由于空间对象的复杂性，实体的外接矩形通常是相互重叠的，使包含它们的虚拟矩形难免会重叠。R+树是对R树索引的一种改进，它允许虚拟矩形可以相互重叠，并分割下层虚拟矩形，允许一个空间实体被多个虚拟矩形所包围。在构造虚拟矩形时，尽量保持每个虚拟矩形包含相同个数的下层虚拟矩形或实体外接矩形，以保证任一实体具有相同的检索时间R+树的数据结构与R树的相同，但是，对于被分割的下层虚拟矩形或实体外接矩形，还要增加关系表达：DECOMP（原矩形标识符，分割后矩形1的标识符，分割后矩形2的标识符）。5.4空间索引-------5.4.3R树和R+树空间索引R树结构示意图

A

BFD

1

D

2CEGCED2ABD1FG5.4空间索引-------5.4.3R树和R+树空间索引SQL语言的发展(StructuredQueryLanguage结构化查询语言

)1974年由Boyce和Chamberlin提出的

1975年~1979年IBM公司在其关系数据库管理系统原型systemR并实现了这种语言。

SQL-86为SQL的最初版本，亦称为SQL-1；

SQL-92是SQL成为关系数据库标准语言的版本，也称为SQL-2；SQL-99时则主要考虑对通用SQL进行扩展，以支持空间数据，是SQL的第三个版本，也称为SQL-3。5.5空间数据库查询语言----5.5.1标准查询语言

SQL语言的功能SQL语言集数据查询（DataQuery）、数据操纵（DataManipulation）、数据定义（DataDefinition）和数据控制（DataControl）功能于一体，主要特点包括：综合统一，SQL集数据定义、操纵、控制功能于一体，能很好的满足数据操作要求；高度非结构化，SQL进行数据操作时，只需提出“做什么”，操作由系统自动完成；面向集合的操作方式；语言简捷，易学易用等特点。5.5空间数据库查询语言----5.5.1标准查询语言

SQL语言的不足SQL不足之处是只提供简单的数据类型：整型、日期型、字符串型等。空间数据库的应用必须能处理多点、线和多边形这样的复杂的数据类型。亟需对SQL语言进行空间扩展。SQL的空间扩展，需要一项普遍认可的标准。OGIS提出了一套规范.把二维地理空间ADT（abstractdatatype,抽象数据类型）整合到SQL之中，并且包括了指定拓扑的操作和空间分析操作。利用OR-DBMS,那么我们必须对SQL进行扩展,使其支持对象的功能,SQL-99时则主要考虑对通用SQL进行扩展，以支持空间数据，是SQL的第三个版本，也称为SQL-3。

5.5空间数据库查询语言--5.5.2扩展SQL处理空间数据抽象数据类型(ADT)CREATETYPE定义ADT由一组属性和访问这些属性的成员函数组成,成员函数可以隐含地修改数据类型中的属性值CREATETYPEPointASOBJECT(xNUMBER，

yNUMBER，

FUNCTIONDistance(:upoint，：vpoint)RETURNSNUMBER);5.5空间数据库查询语言--5.5.2扩展SQL处理空间数据构造City表CreateTableCity(Namevarchar(30),Countryvarchar(35),Capitalchar(1),ShapePoint);INSERTINTOCITY(‘Brazil’,‘Brasilia’,’Y’,Point(-55.4,-23.2));

5.5空间数据库查询语言--5.5.2扩展SQL处理空间数据OGIS标准定义的一些操作基本函数SpatialReference（）返回几何体的基本坐标系统Envelope（）返回包含几何体的最小外接矩形Export（）返回以其他形式表示的几何体IsE