第六章 空间数据管理.ppt

1、空间数据管理，本章首先介绍空间数据库，与一般数据库的比较，以及空间数据库的存储方式。然后，介绍了地理信息系统中两种重要的数据结构：网格结构和向量结构，以及它们的具体存储方法。然后，比较了两种结构的特点，并给出了它们的相互转换算法。最后，本文介绍了空间检索中常用的空间索引技术，并介绍了一些常用的空间索引方法，如BSP树、R树、CELL树等。以及空间数据的查询功能。1.空间数据库1.1地理信息系统与一般管理信息系统的比较(1)两者的区别(1)在硬件方面，为了处理图形和图像数据，系统需要配备专用的输入和输出设备，如数字化仪、绘图仪、图形和图像显示设备等。从现场采集和台站观测中获得的许多资源信息都是模

2、拟形式的，系统需要配备模数转换设备，这往往超过中央处理器的价格，而且体积相对较大。2)在软件方面，需要开发与数据结构和数据库管理方法直接相关的图形图像数据的特殊分析算法和处理软件。1.空间数据库1.1地理信息系统与一般管理信息系统的比较3)就信息处理的内容和目的而言，一般管理信息系统主要是指查询、检索和统计分析，处理的结果大多以一定的规定格式制成表格数据，而地理信息系统除了基本的信息检索和统计分析外，主要用于分析研究资源的合理开发利用和制定区域发展规划。区域综合治理规划可以动态监测和预测环境，为国民经济建设决策提供科学依据，为生产实践提供信息和指导。1.空间数据库1.1地理信息系统与一般管理信

3、息系统的比较(2)两者都是以计算机为中心的信息处理系统，都具有数据量大、数据关系复杂的特点，并随着数据库技术的发展而不断完善。相比之下，商业管理信息系统发展迅速，用户众多，并且已经有定型的软件产品可供选择，这也促进了软件系统的标准化。地理信息系统，由于上述的一些特点，是根据特定的应用需求，用不同的数据格式和组织管理方法专门设计的。1.空间数据库1.2空间数据库(1)数据库概念数据库是一组服务于特定目的并与特定数据一起存储的相关数据。它是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。地理信息系统数据库(简称空间数据库或地理数据库)是关于某一地区某些地理要素特征的数据集合。1.空间数据库1.2空

4、间数据库。(1)空间数据库具有数据量大的特点；不仅有地理要素的属性数据(类似于一般数据库中的数据)，还有大量的空间数据；数据被广泛使用；1.空间数据库1.2空间数据库3。数据库管理系统是在文件处理系统的基础上开发的一个系统。数据库管理系统充当用户应用程序和数据文件之间的桥梁。数据库管理系统的最大优点是它提供了它们之间的数据独立性，也就是说，当一个应用程序访问一个数据文件时，它不需要知道数据文件的物理存储结构。当数据文件的存储结构改变时，没有必要改变应用程序。1.空间数据库1.2空间数据库1。使用标准数据库管理系统存储空间数据的主要问题在地理信息系统中，空间数据记录变长，空间数据的拓扑关系需要存

5、储和维护。通常，数据库管理系统很难实现空间数据的关联、连接、包含和叠加等基本操作。地理信息系统需要一些复杂的图形功能，这是一般的数据库系统所不能支持的。地理信息是复杂的，单个地理实体的表达需要多个文件和记录，其中可能包括大地网、要素坐标、拓扑关系、空间要素测量值、属性数据的关键字和非空间专题属性等。具有高度内部关系的地理信息系统数据记录需要更复杂的安全维护系统。1.空间数据库1.2空间数据库2。有四种主要类型的2)地理信息系统数据管理方法，为不同的应用模型开发独立的数据管理服务，这是一种基于文件管理的处理方法。基于商业数据库管理系统开发附加系统。开发一个附加软件来存储和管理空间数据和空间分析，

6、并使用数据库管理系统来管理属性数据。利用现有的数据库管理系统，通常以数据库管理系统为核心，扩展了系统的功能，空间数据和属性数据由同一个数据库管理系统管理。需要添加足够数量的软件和功能来提供空间功能和图形显示功能。重新设计具有空间数据和属性数据管理和分析功能的数据库系统。1.空间数据库1.3数据和文件组织(1)数据组织分层数据项数据项是可以定义数据的最小单位，也称为元素、基本项、字段等。数据项对应于现实世界实体的属性，并有一定的取值范围，称为域。域外的任何值对该数据项都没有意义。记录由几个相关的数据项组成，这些数据项是处理和存储信息的基本单位，也是关于一个实体的数据总和。构成记录的数据项代表实体

7、的几个属性。为了唯一地标识每个记录，必须有一个记录标识符，也称为关键字。通常，记录标识符是记录中的第一个数据项，唯一标识该记录的键称为主键，而标识该记录的其他键称为辅键。1.空间数据库1.3数据和文件的组织。文件是给定类型(逻辑)记录的所有特定值的集合。文件由文件名标识。根据记录的组织和访问方式，文件可以分为顺序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。数据库是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定连接的数据集合，也可以被视为具有特定连接的多种类型记录的集合。数据库的内部结构是文件的集合，这些文件相互关联，不能孤立存在。1.空间数据库1.3数据和文件的组织2。数据之间的逻辑连接数据之间的逻辑连接主要

8、指记录之间的连接。记录代表现实世界中的实体。实体之间有一种或多种链接，这必须反映在记录之间的链接中。数据之间有三种主要的逻辑连接：一对一的连接；一对多连接；多对多连接。1。空间数据库1.3数据和文件组织，3。通用数据文件文件组织主要是指数据记录在外部存储设备上的组织，由操作系统操作系统管理，具体来说就是如何在外部存储设备上排列和组织数据，以及如何访问数据。操作系统实现的文件组织模式可分为顺序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。1.空间数据库1.3数据和文件组织。顺序文件是最简单的文件组织形式，记录是按照主要关键字的顺序组织的。索引文件索引文件不仅存储记录本身(主文件)，还建立几个索引表。这种带

9、有索引表的文件称为索引文件。索引表列出了记录的关键字和记录在文件中的位置(地址)。1.空间数据库1.3数据和文件组织。直接文件直接文件也称为随机文件。它的存储是根据记录关键字的值通过某种转换方法获得一个物理存储位置，然后将记录存储在该位置。搜索时，可以通过相同的转换方法直接获得所需的记录。倒排文件倒排文件是一个带有二级索引的文件，其中二级索引是根据一些二级关键字组织的。倒排文件的主要优点是在处理多索引检索时，可以在辅助检索中完成查询的交集和并集等逻辑运算，并且在获得结果后可以访问记录，从而提高了搜索速度。1.空间数据库1.4矢量和栅格数据结构。矢量数据模型在矢量模型中，现实世界中元素的位置和范

10、围可以用点、线或平面来表示，这类似于它们在地图上的表示。每个实体的位置由其在坐标参考系统中的空间位置(坐标)定义。栅格数据模型在栅格模型中，空间被有规律地划分成网格(通常是正方形)。地理实体的位置和状态由它们所占据的网格的行和列来定义。每个栅格的大小代表定义的空间分辨率。1.空间数据库1.4矢量和栅格数据结构，1.4矢量和栅格数据结构，2 .栅格数据结构及其编码2.1栅格数据结构。(1)定义栅格结构是最简单和最直接的空间数据结构，它是指将地球表面划分成大小均匀且紧密相邻的栅格阵列。每个网格由行和列定义为一个像素，并包含一个指示像素的属性类型或值的代码。点由网格单元表示；表示沿着线性特征线的一组

11、相邻的网格单元，并且每个网格单元在该线上最多只有两个相邻的单元；面或区域由一组具有区域属性的相邻网格单元表示，每个网格单元可以有两个以上属于同一区域的相邻单元。2.栅格数据结构及其编码2.1栅格数据结构，(a)点，(b)线(c)面，2。栅格数据结构及其编码2.1栅格数据结构，(2)特征栅格结构的显著特征是：明显的属性；定位含义；易于储存；算法简单；表面是不连续的，这是定量和近似离散的数据。2。栅格数据结构及其编码，2.2。确定栅格单位代码的方法，在确定栅格代码时，尽量保持地表的真实性并确保最大的信息容量。图7-5所示的矩形陆地面积包含三种类型的陆地，即A、B和C，O是中心点。当该矩形区域近似表

12、示为网格结构中的网格单元时，网格单元的代码可根据需要通过以下方法之一确定。2.网格数据结构及其编码2.2确定网格单元代码的方法。中心点法通过网格中心的特征类型或现象特征来确定网格代码。在图7-5所示的矩形区域中，中心点O落在特征码C内。根据中心点法的规则，该矩形区域中对应的网格单位代码为C。中心点法通常用于具有连续分布特征的地理要素，如降雨量分布和人口密度图。面积主导法通过在矩形区域中占据最大面积的特征类型或现象特征来确定网格单元代码。在图7-5所示的示例中，很明显，B类要素占据了最大的区域，因此相应的网格代码被确定为B.当分类较细且地物斑块较小时，通常使用面积占优法。2。网格数据结构及其编码

13、2.2确定网格单元代码的方法。重要性方法根据网格中不同地物的重要性，选择最重要的地物类型，确定相应的网格单元代码。假设图7-5中A类最重要的地物类型，即A类比B类和C类更重要，则网格单元编码应为A。重要性法常用于具有特殊意义的小面积地理要素，特别是点状和线状地理要素，如城镇、交通枢纽、交通线路、水系等。网格中的代码应该尽可能地代表这些重要特征。百分比法(长度主导法)是根据矩形区域内每个地理要素所占面积的百分比来确定网格单位代码，如可记录面积最大的两种类型的BA，也可以根据B类和a类2所占面积的百分比来给代码添加数字。网格数据结构及其编码2.3编码方法。(1)直接栅格编码这是最简单、直观、非常重

14、要的栅格结构编码方法，通常称为栅格文件或栅格文件直接编码是将栅格数据作为数据矩阵，逐行(或逐列)记录编码。每一行都可以从左到右逐一记录，甚至可以从左到右记录，并且可以为特定目的采用其他特殊序列。AAAAABBABBAABB，2。栅格数据结构及其编码2.3编码方法，2。栅格数据结构及其编码2.3编码方法，和2。压缩编码方法有一系列光栅数据压缩编码方法，如链码、游程码、分组码和四叉树码。其目的是用尽可能少的数据记录尽可能多的信息，其类型可分为信息无损编码和信息有损编码。信息无损编码是指在编码过程中没有信息丢失，原始信息可以通过解码操作完全恢复。信息有损编码是指为了提高编码效率和最大限度地压缩数据，

15、一些相对不重要的信息在压缩过程中丢失，在解码过程中很难恢复。无损信息编码常用于地理信息系统，而有损压缩编码有时用于压缩原始遥感图像。2.栅格数据结构及其编码。链码也称为弗里曼链码或边界链码。链码可以有效地压缩栅格数据，并且可以非常方便地估计转弯方向的面积、长度、凹凸度，因此更适合存储图形数据。缺点是难以修改和编辑边界，如合并和插入，局部修改会改变整体结构，导致效率低下。(3，0)21100066567，2。栅格数据结构及其编码2.3编码方法，游程编码的地理数据往往具有很强的相关性，也就是说，相邻像素的值往往是相同的。游程编码的基本思想是按行或列扫描，合并相邻的等值像素，并记录代码重复的次数。有

16、两种方法：一种编码方案是仅当每行(或每列)数据的代码改变时，依次记录代码和同一代码的重复次数。2.栅格数据结构及其编码2.3编码方法，为下图沿行方向：(0，1)、(4，2)、(7，5)；(4，5)，(7，3)；(4，4)，(8，2)，(7，2)；(0，2)、(4，1)、(8，3)、(7，2)；(0，2)、(8，4)、(7，1)、(8，1)；(0，3)，(8，5)；(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3).2.光栅数据结构及其编码2.3编码方法另一种游程编码方案是记录每行(或每列)代码变化的位置以及相应的代码。沿列方向：(1，0)、(2，4)、(4，0)、(1，4)、(4，0)；(1，4)

17、、(5，8)、(6，0)；(1，7)、(2，4)、(4，8)、(7，0)；(1，7)、(2，4)、(3，8)、(8，0)；(1，7)，(3，8)；(1，7)，(6，8)；(1，7)，(5，8)，2。栅格数据结构及其编码。游程编码数据量无明显增加，压缩效率高，易于检索、叠加和组合，操作简单。它适用于存储容量小、数据压缩量大的机器，同时避免了增加处理和操作时间的复杂编码和解码操作。2.栅格数据结构及其编码。分组编码分组编码是游程编码扩展到二维的情况。正方形区域用作记录单元，每个记录单元包括几个相邻的网格。数据结构由初始位置(行号和列号)和半径加上记录单元的代码组成。(1，1，2，9)，(1，3，1，9)，(1，4，1，9)，(1，5，2，0)，(1，7，2，0)，(2，3，1，9)，(2，4，1，0)，(3，1，1，0)，(3，2，1，9)，(3，3，1，9)，(3，4，1，0)，(3，5，2，7)，(3，7，2，0)，(4，1，4，0)，(5，5，4，7)，(8，