1、地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS2.3 空间数据组织与管理空间数据组织与管理 1、空间数据库概述、空间数据库概述 2、空间数据管理、空间数据管理 3、空间数据组织、空间数据组织 4、空间索引、空间索引 5、空间数据库查询语言、空间数据库查询语言地理信息系统原理GIS现实世界到数字世界的转换现实世界到数字世界的转换地理信息系统原理GIS1 1、空间数据库概述、空间数据库概述1 1）数据库的定义）数据库的定义 数据库是长期存储在计算机内的有组织的、可共享的数数据库是长期存储在计算机内的有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按照一定的数据模型组织，描述和据集合。数据库中的数据按照一定
2、的数据模型组织，描述和存储，具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，存储，具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。并可为各种用户共享。目前，数据库领域中最常用的目前，数据库领域中最常用的数据模型数据模型有四种：有四种：层次模型层次模型 网状模型网状模型 关系模型关系模型 面向对象模型面向对象模型地理信息系统原理GIS2 2）空间数据库的概念空间数据库的概念 地理信息系统的数据库：简称地理信息系统的数据库：简称空间数据库空间数据库或或地理数据地理数据库库，是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；是，是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；是地理信息系统在计
3、算机物理存储介质存储的与应用相关的地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总和地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。形式组织在存储介质之上的。空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：1 1、数据量特别大、数据量特别大 2 2、数据内容包括空间数据、属性数据以及二者之间的、数据内容包括空间数据、属性数据以及二者之间的关系关系 3 3、数据应用广泛、数据应用广泛地理信息系统原理GIS2、空间数据管理、空间数据管理 1）空间数据的基本特征 空间性：空间性：形状、位
4、置、分布与空间关系 多尺度与多态性：多尺度与多态性：尺度与维数变化 多时空性：多时空性：时间序列与空间序列 抽象性：抽象性：分类编码，空间降维 非结构化特征：非结构化特征：结构化结构化的，即满足的，即满足第一范式第一范式:每条记每条记录录定长定长，且数据项是，且数据项是原子原子数据数据.而空间数据而空间数据数据项变长数据项变长，对象包含一个或多个对象，对象包含一个或多个对象，需要嵌套需要嵌套记录。记录。海量数据特征海量数据特征地理信息系统原理GIS2）矢量数据的管理）矢量数据的管理 对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分开组织的，这一特点使得在管理时
5、需要同时提及空分开组织的，这一特点使得在管理时需要同时提及空间位置数据和属性数据。其中属性数据很适合用关系间位置数据和属性数据。其中属性数据很适合用关系数据库管理，空间位置数据不太适合用关系数据库来数据库管理，空间位置数据不太适合用关系数据库来管理。管理。空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的，空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的，按照发展的过程，对矢量数据的管理有：按照发展的过程，对矢量数据的管理有：基于文件管基于文件管理的方式、文件与关系数据库混合管理系统、全关系理的方式、文件与关系数据库混合管理系统、全关系型空间数据库管理系统、对象型空间数据库管理系统、对象-关系数据库管理系统关系
6、数据库管理系统地理信息系统原理GIS缺点缺点：1 1）程序依赖于数据程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。文件修改时，应用程序也随之改变。2 2）以文件形式共享以文件形式共享，当多个程序共享一数，当多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需得到所有应用的据文件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。许可。不能达到真正的共享不能达到真正的共享，即数据项、记，即数据项、记录项的共享。录项的共享。GIS应用应用1空间、属性空间、属性数据文件数据文件1GIS应用应用2空间、属性空间、属性数据文件数据文件2空间、属性空间、属性数据文件数据文件3 基于文件管理的
7、方式基于文件管理的方式地理信息系统原理GIS 文件与关系数据库混合管理系统文件与关系数据库混合管理系统双元模型双元模型GISGIS应用软件应用软件Arc/Info Arc/Info 图形用户界面图形用户界面ArcEdit属性用户界面属性用户界面Tables图形数据图形数据文件库文件库属性数据库属性数据库图形处理图形处理系统系统数据库管理数据库管理系统系统oidoid除除oid作为连接关键字以外，几乎是两者独立作为连接关键字以外，几乎是两者独立地组织、管理和检索。地组织、管理和检索。属性属性数据数据oidoid图形数据图形数据1)图形与属性结合的各自分开处理模式图形与属性结合的各自分开处理模式-
8、早期系统早期系统:图形处理的用户界面和属性的用户界面是图形处理的用户界面和属性的用户界面是分分开开的，它们只是通过一个内部码连接。通常的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统要同时启动两个系统，甚至两个系统来回切来回切换，不方便换，不方便。几何图形几何图形:图形用户界面与图形文件处理是一体的，图形用户界面与图形文件处理是一体的，中间没有裂缝中间没有裂缝。属性数据属性数据，则，则因系统和历史发展而异因系统和历史发展而异。地理信息系统原理GIS2)图形与属性结合的混合处理模式图形与属性结合的混合处理模式 GIS GIS 通过通过DBMSDBMS提供的高级编程语言提供的高
9、级编程语言C C或或FortranFortran等接口，在等接口，在C C语言的环境下，语言的环境下，直接直接操纵属性数据，查询属性数据库操纵属性数据，查询属性数据库，并在，并在GISGIS的用户界面下，显示查询结果。的用户界面下，显示查询结果。在在ODBC(Open DataBase Connectivity,ODBC(Open DataBase Connectivity,开放式数据库互连开放式数据库互连)推出后，推出后，GISGIS软件商软件商只只需开发需开发GISGIS与与ODBCODBC的接口软件的接口软件，就可将属，就可将属性数据与任何一个支持性数据与任何一个支持ODBCODBC的的
10、RDBMSRDBMS连接。连接。这样用户可在这样用户可在一个界面一个界面下处理图形和属性下处理图形和属性数据。数据。用户界面用户界面C C语言语言C C或或ODBCODBC图形处理图形处理数据库管理系统数据库管理系统图形数据文件库图形数据文件库属性数据库属性数据库 采用文件与采用文件与RDBMSRDBMS的混合管理模式中的混合管理模式中文文件管理系统的功能较弱件管理系统的功能较弱，特别是在，特别是在数据的数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能。因而因而GISGIS软件商需要寻找能同时管理
11、图形软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用和属性数据的商用DBMSDBMS。地理信息系统原理GIS 全关系型空间数据库管理系统全关系型空间数据库管理系统分层模型分层模型 GIS GIS软件商在标准软件商在标准DBMSDBMS顶层开发一个能容纳、管理顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。空间数据的系统功能。GISGIS应用应用扩展扩展DBMSDBMS以容纳以容纳空间数据空间数据商用商用DBMSDBMS空间和属性空间和属性数据库数据库用用RDBMS管理图形数据有管理图形数据有两种模式两种模式：a、基于关系模型的方式基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模，图形数据按关系数据模型组织。由
12、于涉及一系列关系型组织。由于涉及一系列关系连接连接运算，运算，费时费时。例如：例如：b、将图形数据的变长部分处理成、将图形数据的变长部分处理成Binary Block字字段段（多媒体或变长文本）。（多媒体或变长文本）。省去省去大量关系连接操大量关系连接操作，但作，但Binary Block的读写效率比定长的属性字段的读写效率比定长的属性字段慢得多慢得多，特别涉及对象的，特别涉及对象的嵌套时，更慢嵌套时，更慢。地理信息系统原理GIS 对象对象-关系数据库管理系统关系数据库管理系统 DBMSDBMS软件商在软件商在RDBMSRDBMS中进行扩展，使之中进行扩展，使之能能直接存储和管理非结构化的空间
13、数据直接存储和管理非结构化的空间数据，如，如Informix Informix 和和OracleOracle等都推出了等都推出了空间数据管空间数据管理的专用模块理的专用模块，定义了操纵点、线、面、圆，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的函数。等空间对象的函数。主要解决主要解决空间数据的变长记录的管理，空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解仍没有解决决对象的嵌套问题，空间数据结构对象的嵌套问题，空间数据结构不能由用不能由用户定义户定义，用户，用户不能不能根据要求再定义，根据要求再定义，使用上受一定限制。使用上受一定限制。GISGIS应用应用
14、空间数据管理的空间数据管理的专用模块专用模块 商用商用DBMSDBMS空间和属性空间和属性数据库数据库地理信息系统原理GIS3）栅格数据的管理）栅格数据的管理 随着随着GIS应用的深入，遥感影像数据、数字应用的深入，遥感影像数据、数字高程模型、栅格化地理数据在整个高程模型、栅格化地理数据在整个GIS领域的应用领域的应用越来越广泛，影像数据具有信息丰富，覆盖面广越来越广泛，影像数据具有信息丰富，覆盖面广和经济，方便，快速获取等优点。和经济，方便，快速获取等优点。栅格影像数据，不仅包含了属性信息，还包栅格影像数据，不仅包含了属性信息，还包含了隐藏的空间位置信息（格网行，列信息），含了隐藏的空间位置
15、信息（格网行，列信息），即隐含着属性数据与空间位置数据之间的关联关即隐含着属性数据与空间位置数据之间的关联关系。系。对栅格数据的管理有：对栅格数据的管理有：基于文件管理的方式、基于文件管理的方式、文件结合关系数据库管理、完全基于关系数据库文件结合关系数据库管理、完全基于关系数据库管理。管理。地理信息系统原理GIS 文件管理文件管理 目前大部分目前大部分GIS软件和遥感图像处理软软件和遥感图像处理软件都是应用文件方式来管理遥感影像数据。件都是应用文件方式来管理遥感影像数据。缺点：缺点：（1）由于遥感影像数据库并不是仅仅）由于遥感影像数据库并不是仅仅包含图像数据本身，而且还包含大量的包含图像数据本
16、身，而且还包含大量的图图像元数据信息像元数据信息（如图像类型，摄影日期，（如图像类型，摄影日期，摄影比例尺等），遥感图像数据本身还具摄影比例尺等），遥感图像数据本身还具有多数据源，多时相等特点。有多数据源，多时相等特点。（2）无法保证数据的安全性无法保证数据的安全性，并发，并发控制和数据共享等。控制和数据共享等。地理信息系统原理GIS 文件文件数据库管理方式数据库管理方式为了改进文件方式管理影像数据的效率，一为了改进文件方式管理影像数据的效率，一种新的管理方式被提出来：种新的管理方式被提出来：文件文件+数据库管理方数据库管理方式式。（1）影像数据仍然以文件方式组织管理；）影像数据仍然以文件方式
17、组织管理；（2）在关系数据库中，每个影像文件都有）在关系数据库中，每个影像文件都有唯一的标识号唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件名）对应影像信息，如文件名称，存储路径等。称，存储路径等。地理信息系统原理GIS 关系数据库管理关系数据库管理 基于扩展关系数据库的影像数据库管理，是将影基于扩展关系数据库的影像数据库管理，是将影像数据存储在二进制定长字段中。然后应用程序通像数据存储在二进制定长字段中。然后应用程序通过数据访问接口来访问数据库中的影像数据。同时过数据访问接口来访问数据库中的影像数据。同时影像数据的元数据信息也存放在关系数据库的表中，影像数据的元数据信息也存放在关系数据库的表中，二
18、者可以进行无缝管理。二者可以进行无缝管理。优点优点：所有数据集中存储，数据安全，易于共享；所有数据集中存储，数据安全，易于共享；管理多数据源和多时态的数据；管理多数据源和多时态的数据；发挥事务处理和并发控制，有利于多用户的访问发挥事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享；与共享；影像数据和元数据集成到一起，能方便的进行交影像数据和元数据集成到一起，能方便的进行交互式查询。互式查询。地理信息系统原理GIS4）空间数据库引擎）空间数据库引擎 采用关系数据库与文件混合管理模式的传统采用关系数据库与文件混合管理模式的传统GIS数数据库系统技术，在应用上取得了一定的成功，但不得不据库系统技术，在应用
19、上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理，总体上无法达到数据库技术部分地采取文件方式管理，总体上无法达到数据库技术冗余度，独立性冗余度，独立性等要求。用现代数据库技术统一存放和等要求。用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与属性数据是管理空间数据与属性数据是GIS发展的必然趋势。发展的必然趋势。目前，较为成熟的数据库引擎主要包括目前，较为成熟的数据库引擎主要包括ESRI公司公司的的ArcSDE，Mapinfo公司的公司的SpatialWare，以及数据库厂，以及数据库厂商商Oracle公司的公司的Spatial等产品和技术。等产品和技术。目前目前空间数据库引擎空间数据库引擎主要有两种
20、方式：主要有两种方式：1.中间件方式中间件方式 2.数据库本身扩展数据库本身扩展地理信息系统原理GIS4）空间数据库引擎）空间数据库引擎 （1）OracleSpatial：只是在原来的数据：只是在原来的数据库模型上进行了空间数据模型的扩展，实现的是库模型上进行了空间数据模型的扩展，实现的是“点、线、面点、线、面”等简单要素的存储和检索，它不等简单要素的存储和检索，它不能存储数据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一能存储数据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一个空间几何网络。个空间几何网络。（2）ArcSDE：是是ArcGIS与关系数据库之与关系数据库之间的间的GIS通道。它允许用户在多种数据库管理系通
21、道。它允许用户在多种数据库管理系统中管理地理信息，并使所有的统中管理地理信息，并使所有的ArcGIS应用程序应用程序都能够使用这些数据。都能够使用这些数据。地理信息系统原理GIS ArcSDE 从空间数据管理的角度来看，从空间数据管理的角度来看，ArcSDE可看可看成是一个连续的空间数据模型，借助这一模成是一个连续的空间数据模型，借助这一模型，我们可用型，我们可用关系型数据库（关系型数据库（RDBMS）管）管理空间数据。理空间数据。在在RDBMS中融入空间数据后，中融入空间数据后，ArcSDE可以可以提供对空间、非空间数据进行高效率操作的提供对空间、非空间数据进行高效率操作的数据库服务。由于数
22、据库服务。由于ArcSDE采用的是采用的是客户客户/服服务器（务器（Client/Server）体系结构，大量用户体系结构，大量用户可同时并发地对同一数据进行操作。可同时并发地对同一数据进行操作。地理信息系统原理GISArcSDE的体系结构：的体系结构：CustomAppsCad ClientArcSDEYourDatabaseSolution2-&3-tierclient/serversolutions地理信息系统原理GISArcSDE 支持的支持的 RDBMS产品产品 Oracle SQL Server Informix IBM DB210 Main St ArcSDE ArcSDE是多用
23、户是多用户ArcGISArcGIS系统的一个关键部件。它为系统的一个关键部件。它为DBMSDBMS提供提供了一个开放的接口，允许了一个开放的接口，允许ArcGISArcGIS在多种数据库平台上管理地理信息。在多种数据库平台上管理地理信息。这些平台包括这些平台包括OracleOracle，Oracle with Spatial/LocatorOracle with Spatial/Locator，Microsoft Microsoft SQL Server,IBMDB2SQL Server,IBMDB2，和，和InformixInformix。地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS 地理信
24、息系统原理GIS服务器服务器GISGIS 地理信息系统原理GIS ArcSDE 功能功能 地理信息系统原理GIS3、空间数据组织、空间数据组织1）图幅数据组织）图幅数据组织 GIS中将某一问题域或某一项中将某一问题域或某一项GIS任任务称为一个务称为一个GIS工程，由于工程，由于GIS工程涉及工程涉及范围广（如全市，全省，全国甚至全范围广（如全市，全省，全国甚至全球），在管理空间数据时必须进行球），在管理空间数据时必须进行分幅分幅管理管理（同传统地图分幅）。（同传统地图分幅）。图幅一般对应一块区域，常见的分幅图幅一般对应一块区域，常见的分幅方式有标准分幅和区域分幅。方式有标准分幅和区域分幅。（
25、1）标准分幅）标准分幅 （2）区域分幅）区域分幅地理信息系统原理GIS分层分层区域分块区域分块空间数据库空间数据库GISGIS应用应用大范围大范围 地理区域地理区域合理组织合理组织面向对面向对象组织象组织矩形分块矩形分块经纬度分块经纬度分块空间数据的组织空间数据的组织地理信息系统原理GIS地理数据的分层地理数据的分层 空间数据可空间数据可按某种属性特征按某种属性特征形成一个形成一个数据层数据层，称为，称为图层图层（CoverageCoverage）。）。1、空间数据分层方法：、空间数据分层方法：1 1）专题分层）专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。每个图层对应一个专题，包含
26、某一种或某一类数据。2 2）时间序列分层）时间序列分层即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。3 3）地面垂直高度分层）地面垂直高度分层把不同高度的数据作为一个数据层。把不同高度的数据作为一个数据层。专题分层专题分层时间序列时间序列Z Z地理信息系统原理GIS空间数据分层的目的：空间数据分层的目的：便于空间数据的便于空间数据的管理、查询、显示、分析管理、查询、显示、分析等。等。1 1）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就简化为简化为对对各各数据层数据层的管理，而的管理，而一个一个数据层
27、的数据层的数据结构数据结构往往比较往往比较单一单一，数据量也，数据量也相对较小相对较小，管理起来就相对，管理起来就相对简单简单；2 2）对分层的空间数据进行）对分层的空间数据进行查询查询时，时，不需要不需要对所有空间数据进行查询，对所有空间数据进行查询，只需只需要对要对某一层某一层空间数据进行查询即可，因而空间数据进行查询即可，因而可加快可加快查询速度；查询速度；3 3）分层后的空间数据，由于便于）分层后的空间数据，由于便于任意选择任意选择需要显示的图层，因而增需要显示的图层，因而增加了加了图形显示图形显示的的灵活性灵活性；4 4）对）对不同数据层不同数据层进行叠加，可进行进行叠加，可进行各种
28、目的各种目的的空间分析。的空间分析。地理信息系统原理GIS2）空间数据的图库管理）空间数据的图库管理 图库管理是海量空间数据管理的需要，图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型是大型GIS软件的必备功能，其管理效率是衡软件的必备功能，其管理效率是衡量量GIS软件优劣的重要指标之一。为了提高海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，量空间数据的管理效率，GIS必须建立强有力必须建立强有力的空间索引和查询机制。的空间索引和查询机制。分层、分幅、分层索引分层、分幅、分层索引地理信息系统原理GIS3）属性数据的组织）属性数据的组织属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文属性数据由关系
29、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。在不同的商业化软件中，作层，并进行跨图幅操作。在不同的商业化软件中，属性文件组织方式各不相同，主要有以下三种方式：属性文件组织方式各不相同，主要有以下三种方式：（1）与工作层对应的组织方式）与工作层对应的组织方式 （2）与地物类对应的组织方式）与地物类对应的组织方式 （3）混合方式）混合方式地理信息系统原理GIS4、空间索引、空间索引空间索引空间索引 指根据空间
30、对象的位置和形状或空间对象指根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，其中包括空间对象的概要信息，种数据结构，其中包括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如对象的标识，外接矩形及指向空间对象实体的指针。体的指针。地理信息系统原理GIS 作为一种作为一种辅助性的空间数据结构辅助性的空间数据结构，空间索引介，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选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
31、的速度和效率。排除，从而提高空间操作的速度和效率。目前，常见空间索引方法有目前，常见空间索引方法有对象范围索引对象范围索引，格格网索引网索引，四叉树空间索引四叉树空间索引，R树，树，R树空间树空间索引。索引。空间索引的性能的优越直接影响空间数空间索引的性能的优越直接影响空间数据库和地理信息系统的整体性能。现在结构较据库和地理信息系统的整体性能。现在结构较为简单的格网型空间索引在各为简单的格网型空间索引在各GIS软件和系统软件和系统中（如中（如ArcGIS）都有着广泛的应用。）都有着广泛的应用。地理信息系统原理GIS5、空间数据库查询语言空间数据库查询语言扩展扩展SQLSQL 空间数据查询语言是
32、通过对标准空间数据查询语言是通过对标准SQLSQL的的扩展扩展来形成的，即在数据库查询来形成的，即在数据库查询语言上加入语言上加入空间关系查询空间关系查询。为此需要增加。为此需要增加空间数据类型空间数据类型（如点、线、面等）（如点、线、面等）和和空间操作算子空间操作算子（如求长度、面积、叠加等）。在给定查询条件时也需含有（如求长度、面积、叠加等）。在给定查询条件时也需含有空间概念空间概念，如距离、邻近、叠加等。，如距离、邻近、叠加等。例如，例如，“查询长江流域人口大于查询长江流域人口大于5050万的县或市万的县或市”，可表示为：，可表示为：SELECTSELECT *FROMFROM县或市县或市WHEREWHERE 县或市县或市.人口人口 50 50万万 ANDAND CROSSCROSS（河流（河流.名称名称=“长江长江”）主要优点主要优点是：保留了是：保留了SQLSQL的风格，便于熟悉的风格，便于熟悉SQLSQL的用户的掌握，通用性较好，的用户的掌握，通用性较好，易于与关系数据库连接。易于与关系数据库连接。执行执行扩展扩展SQLSQL，如果要将属性和空间关系整体统一起来，如果要将属性和空间关系整体统一起来，从底层从底层进行查询优进行查询优化，有一定困难。化，有一定困难。目前目前一般将两层一般将两层分开进行分开进行查询。查询。
