第三講(空間數(shù)據(jù)管理)課件

1、1地理信息系統(tǒng)及應(yīng)用地理信息系統(tǒng)及應(yīng)用云南大學信息學院云南大學信息學院梁虹梁虹2第三講第三講 空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)管理3 采用一定的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將空間采用一定的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將空間數(shù)據(jù)組織為適合于計算機系統(tǒng)存儲、管數(shù)據(jù)組織為適合于計算機系統(tǒng)存儲、管理和處理的邏輯結(jié)構(gòu)，支持空間信息檢理和處理的邏輯結(jié)構(gòu)，支持空間信息檢索與空間分析，是索與空間分析，是GISGIS研究和應(yīng)用的重研究和應(yīng)用的重要內(nèi)容。要內(nèi)容。 這就是這就是空間數(shù)據(jù)編碼空間數(shù)據(jù)編碼與與空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫要解決的問題。要解決的問題。 4一、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與編碼5 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 是地理實體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述，它

2、是地理實體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述，它將空間數(shù)據(jù)組織為適合于計算機系統(tǒng)存儲、管理和處理的邏將空間數(shù)據(jù)組織為適合于計算機系統(tǒng)存儲、管理和處理的邏輯結(jié)構(gòu)。輯結(jié)構(gòu)。 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可分為兩大類：矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可分為兩大類：矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)67 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 是柵格數(shù)據(jù)模型在空間數(shù)據(jù)組織中的實現(xiàn)，是最簡單、是柵格數(shù)據(jù)模型在空間數(shù)據(jù)組織中的實現(xiàn)，是最簡單、最直接的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最直接的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 柵格結(jié)構(gòu)以規(guī)則的陣列（像元）來表示空間地物或現(xiàn)象柵格結(jié)構(gòu)以規(guī)則的陣列（像元）來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，陣列中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾分布的數(shù)據(jù)組織，陣列

3、中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。何屬性特征。 8點點線線面面9柵格數(shù)據(jù)的組織柵格數(shù)據(jù)的組織10柵格數(shù)據(jù)的組織柵格數(shù)據(jù)的組織11 由于柵格結(jié)構(gòu)對地表的離散化，在計算面積、長度、由于柵格結(jié)構(gòu)對地表的離散化，在計算面積、長度、距離、形狀等空間指標時，若柵格尺寸較大（分辨率距離、形狀等空間指標時，若柵格尺寸較大（分辨率低），則可能造成較大的誤差。低），則可能造成較大的誤差。 另一方面，由于在一個柵格的地表范圍內(nèi)，可能存另一方面，由于在一個柵格的地表范圍內(nèi)，可能存在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中只能是在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中只能是一個值（代碼），柵格結(jié)構(gòu)還可能造成

4、屬性方面的偏一個值（代碼），柵格結(jié)構(gòu)還可能造成屬性方面的偏差。差。12 柵格單元代碼的確定方法柵格單元代碼的確定方法原則：保持地表的真實性，保證最大的信息容量。原則：保持地表的真實性，保證最大的信息容量。 中心點法中心點法 面積占優(yōu)法面積占優(yōu)法 重要性法重要性法 13 柵格數(shù)據(jù)編碼柵格數(shù)據(jù)編碼 通過一定的編碼規(guī)則和方式的對柵格數(shù)據(jù)進行記錄。通過一定的編碼規(guī)則和方式的對柵格數(shù)據(jù)進行記錄。 柵格結(jié)構(gòu)是以像元為基本單位，一幅柵格圖片將占用柵格結(jié)構(gòu)是以像元為基本單位，一幅柵格圖片將占用較大的存儲空間，因此柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼是十分必要的。較大的存儲空間，因此柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼是十分必要的。柵格編碼柵格編碼直

5、接柵格編碼直接柵格編碼壓縮編碼方法壓縮編碼方法游程長度編碼游程長度編碼四叉樹四叉樹鏈碼鏈碼14 直接柵格編碼直接柵格編碼 將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄像元代碼。該方法簡單，易于存儲，但可能造成數(shù)據(jù)記錄像元代碼。該方法簡單，易于存儲，但可能造成數(shù)據(jù)冗余。冗余。 直接柵格編碼直接柵格編碼15 壓縮編碼壓縮編碼 用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的柵格信息。分為用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的柵格信息。分為無損編碼無損編碼和和有損編碼有損編碼兩類。兩類。 無損編碼是指編碼過程中沒有任何信息損失，通過解無損編碼是指編碼過程中沒有任何信息損

6、失，通過解碼操作可以完全恢復原來的信息；有損編碼是指為了提高碼操作可以完全恢復原來的信息；有損編碼是指為了提高編碼效率，最大限度地壓縮數(shù)據(jù)，在壓縮過程中損失一部編碼效率，最大限度地壓縮數(shù)據(jù)，在壓縮過程中損失一部分相對不太重要的信息，解碼時這部分難以恢復。分相對不太重要的信息，解碼時這部分難以恢復。 在地理信息系統(tǒng)中多采用無損編碼，而對原始遙感影在地理信息系統(tǒng)中多采用無損編碼，而對原始遙感影像進行壓縮編碼時，有時也采取有損壓縮編碼方法。像進行壓縮編碼時，有時也采取有損壓縮編碼方法。 16 游程長度編碼游程長度編碼 是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法。是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法。 原理：對于一幅柵格圖

7、像，常常有行（或列）方向上原理：對于一幅柵格圖像，常常有行（或列）方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復的記錄內(nèi)容，即只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代壓縮那些重復的記錄內(nèi)容，即只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同的代碼重復的個數(shù)，碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同的代碼重復的個數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。17 對于右圖所示柵格數(shù)據(jù)，可沿行對于右圖所示柵格數(shù)據(jù)，可沿行方向進行如下游程長度編碼：方向進行如下游程長度編碼：（0 0，1 1），（），（4 4，2 2），（），（7 7，5 5）

8、；（）；（4 4，5 5），（），（7 7，3 3）；（）；（4 4，4 4），（），（8 8，2 2），），（7 7，2 2）；（）；（0 0，2 2），（），（4 4，1 1），（），（8 8，3 3），（），（7 7，2 2）；（）；（0 0，2 2），（），（8 8，4 4），），（7 7，1 1），（），（8 8，1 1）；）；(0(0，3)3)，(8(8，5)5)；(0(0，4)4)，(8(8，4)4)；(0(0，5)5)，(8(8，3)3)。 游程長度編碼只用游程長度編碼只用 44 44 個整數(shù)就可以表示直接編碼中個整數(shù)就可以表示直接編碼中須要須要 64 64 個整數(shù)表示的柵格數(shù)

9、據(jù)，可見游程長度編碼壓縮個整數(shù)表示的柵格數(shù)據(jù)，可見游程長度編碼壓縮數(shù)據(jù)是十分有效而簡便的。數(shù)據(jù)是十分有效而簡便的。18 游程長度編碼壓縮比的大小與圖的復雜程度成反游程長度編碼壓縮比的大小與圖的復雜程度成反比，圖像越簡單，壓縮效率就越高。比，圖像越簡單，壓縮效率就越高。 19 四叉樹四叉樹 四叉樹又是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一，它四叉樹又是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一，它通過樹狀結(jié)構(gòu)記錄柵格數(shù)據(jù)，并通過四叉樹狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)查通過樹狀結(jié)構(gòu)記錄柵格數(shù)據(jù)，并通過四叉樹狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)查詢、修改、量算等操作。詢、修改、量算等操作。 四叉樹將整個圖像區(qū)逐步分解為一系列被單一類型區(qū)四叉樹將整個圖像區(qū)逐步分解

10、為一系列被單一類型區(qū)域內(nèi)含的方形區(qū)域，最小的方形區(qū)域為一個柵格象元。域內(nèi)含的方形區(qū)域，最小的方形區(qū)域為一個柵格象元。 20 分割的原則：將圖像區(qū)域劃分為四個大小相同的象分割的原則：將圖像區(qū)域劃分為四個大小相同的象限，而每個象限又可根據(jù)一定規(guī)則判斷是否繼續(xù)等分為次限，而每個象限又可根據(jù)一定規(guī)則判斷是否繼續(xù)等分為次一層的四個象限。其終止判據(jù)是，不管是哪一層上的象一層的四個象限。其終止判據(jù)是，不管是哪一層上的象限，只要劃分到僅代表一種地物或符合既定要求的少數(shù)幾限，只要劃分到僅代表一種地物或符合既定要求的少數(shù)幾種地物時，則不再繼續(xù)劃分，否則一直劃分到單個柵格像種地物時，則不再繼續(xù)劃分，否則一直劃分到單

11、個柵格像元為止。元為止。 21柵格四叉樹分割柵格四叉樹分割22柵格四叉樹結(jié)構(gòu)柵格四叉樹結(jié)構(gòu) 結(jié)點結(jié)點 樹叉（象限）樹叉（象限） 葉子葉子23 四叉樹編碼四叉樹編碼 可以看出，只需依序記錄樹中各葉子結(jié)點的地址（層可以看出，只需依序記錄樹中各葉子結(jié)點的地址（層數(shù)、象限）和代碼，即可表示出四叉樹結(jié)構(gòu)。數(shù)、象限）和代碼，即可表示出四叉樹結(jié)構(gòu)。 四叉樹編碼能夠自動地依照圖形變化而調(diào)整象限尺四叉樹編碼能夠自動地依照圖形變化而調(diào)整象限尺寸，因此它具有極高的壓縮效率。寸，因此它具有極高的壓縮效率。 四叉樹編碼具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質(zhì)，壓四叉樹編碼具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質(zhì)，壓縮數(shù)據(jù)靈活，許多運算

12、可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實現(xiàn)，大大縮數(shù)據(jù)靈活，許多運算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實現(xiàn)，大大地提高了運算效率，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。地提高了運算效率，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。 2425 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 是矢量數(shù)據(jù)模型在空間數(shù)據(jù)組織中的實現(xiàn)，通過記錄坐是矢量數(shù)據(jù)模型在空間數(shù)據(jù)組織中的實現(xiàn)，通過記錄坐標的方式盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，標的方式盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體， 對于點實體，矢量結(jié)構(gòu)中只記錄其在特定坐標系下的坐對于點實體，矢量結(jié)構(gòu)中只記錄其在特定坐標系下的坐標和屬性代碼。標和屬性代碼。 對于線實體，則用一系列足夠短的首尾相接的直線段近對于線實體，則用一系列

13、足夠短的首尾相接的直線段近似表示一條曲線，矢量結(jié)構(gòu)中只記錄這些小線段的起點和終似表示一條曲線，矢量結(jié)構(gòu)中只記錄這些小線段的起點和終點坐標，即將曲線表示為坐標序列。點坐標，即將曲線表示為坐標序列。26 GISGIS中的面實體又稱多邊形，是任意形狀、邊界完全閉中的面實體又稱多邊形，是任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域。合的空間區(qū)域。 與表示線實體相似，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將面實體看作是由一與表示線實體相似，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將面實體看作是由一系列多而短的直線段組成的閉合曲線，并通過記錄每個小線系列多而短的直線段組成的閉合曲線，并通過記錄每個小線段的端點坐標來記錄多邊形。只是曲線的起點和終點必須是段的端點坐標來記錄

14、多邊形。只是曲線的起點和終點必須是同一個點。同一個點。 27矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)28 矢量數(shù)據(jù)編碼矢量數(shù)據(jù)編碼 通過地理坐標對點、線、面實體進行標識，是矢量數(shù)據(jù)通過地理坐標對點、線、面實體進行標識，是矢量數(shù)據(jù)編碼的重要特征。編碼的重要特征。標識碼（標識碼（IDID）點要素點要素X X，Y Y坐標坐標非幾何屬性非幾何屬性點實體編碼點實體編碼線實體編碼線實體編碼線要素線要素標識碼（標識碼（IDID）起點起點X X，Y Y坐標坐標非幾何屬性非幾何屬性終點終點X X，Y Y坐標坐標坐標對序列坐標對序列29 多邊形矢量編碼多邊形矢量編碼 多邊形運算是多邊形運算是GISGIS空間分析的主要內(nèi)容?？臻g分

15、析的主要內(nèi)容。 多邊形不但要表示位置和屬性，還要能表達區(qū)域的拓撲多邊形不但要表示位置和屬性，還要能表達區(qū)域的拓撲性質(zhì)（如形狀、鄰域、包含和層次等），以便利用這些信性質(zhì)（如形狀、鄰域、包含和層次等），以便利用這些信息進行專題圖顯示和操作，因此多邊形矢量編碼比點和線息進行專題圖顯示和操作，因此多邊形矢量編碼比點和線實體的矢量編碼要復雜得多，也更為重要。實體的矢量編碼要復雜得多，也更為重要。 多邊形矢量編碼除有存儲效率的要求外，一般還要求多邊形矢量編碼除有存儲效率的要求外，一般還要求所表示的各多邊形有各自獨立的形狀，可以計算各自的周所表示的各多邊形有各自獨立的形狀，可以計算各自的周長和面積等幾何指標

16、。長和面積等幾何指標。 30 坐標序列法坐標序列法 由多邊形邊界的由多邊形邊界的x x、y y坐標對集合及說明信息組成，是最坐標對集合及說明信息組成，是最簡單的多邊形矢量編碼。簡單的多邊形矢量編碼。 10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x1 0,y1 0；x11,y11；20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16；x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x2 3,y2 3；x8,y8；x9,y9；x10,y1

17、0；x11,y11；31 坐標序列法坐標序列法 坐標序列法文件結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位坐標序列法文件結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位的運算和顯示。但也存在以下缺點：的運算和顯示。但也存在以下缺點：多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次，由此產(chǎn)多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次，由此產(chǎn) 生數(shù)據(jù)冗余；生數(shù)據(jù)冗余；每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進行鄰域每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進行鄰域分析，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界；分析，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界；32 樹狀索引編碼法樹狀索引編碼法 采用樹狀索引減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息。采用樹狀索引減少數(shù)據(jù)冗余并

18、間接增加鄰域信息。具體方法為：具體方法為：對所有邊界點進行數(shù)字化，將坐標對以順序方式存對所有邊界點進行數(shù)字化，將坐標對以順序方式存儲；儲；由點索引與邊界線號相聯(lián)系；由點索引與邊界線號相聯(lián)系；以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。 331）點文件： 點號 坐標 1 x1 ,y1 2 x2 ,y2 40 x40 ,y40342）線文件 線號 起點終點點號 I 1 61,2,3,4,5,6 II 6 86,7,8 X 333333,34,35,36,37,38,39,40,33 353）多邊形文件 多邊形編號 多邊形邊界 10 I , II , IX

19、 20 III , VII , VIII , IX , X 30 X 40 IV , VI , VII 50 II , III , IV , V 36 樹狀索引編碼消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不樹狀索引編碼消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題，并可以通過文件的線索引處理得到多邊形鄰一致的問題，并可以通過文件的線索引處理得到多邊形鄰域信息和島狀信息。域信息和島狀信息。37 柵格與矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換柵格與矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 矢量到柵格：也稱多邊形填充，是將矢量表示的多邊形矢量到柵格：也稱多邊形填充，是將矢量表示的多邊形邊界內(nèi)部的所有柵格點上賦以相應(yīng)的多邊形編碼，即將點、邊界內(nèi)部的所有柵格點上賦以相

20、應(yīng)的多邊形編碼，即將點、線、面實體轉(zhuǎn)換到預定分辯率和已知位置值的矩陣中。線、面實體轉(zhuǎn)換到預定分辯率和已知位置值的矩陣中。 柵格到矢量：也稱數(shù)字化，指提取以相同的代碼的柵格柵格到矢量：也稱數(shù)字化，指提取以相同的代碼的柵格集合表示的多邊形區(qū)域的邊界和邊界的拓撲關(guān)系，并表示為集合表示的多邊形區(qū)域的邊界和邊界的拓撲關(guān)系，并表示為由多個小直線段組成的矢量格式邊界線的過程。由多個小直線段組成的矢量格式邊界線的過程。 38二、空間數(shù)據(jù)庫39 空間數(shù)據(jù)的特征決定了利用目前流空間數(shù)據(jù)的特征決定了利用目前流行的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接管理地理空間數(shù)行的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接管理地理空間數(shù)據(jù)，存在著明顯的不足，據(jù)，存在著明顯的不足，

21、GISGIS必須發(fā)展必須發(fā)展自己的數(shù)據(jù)庫自己的數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫。40 數(shù)據(jù)庫就是為一定目的服務(wù)，以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（層數(shù)據(jù)庫就是為一定目的服務(wù)，以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（層次型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、關(guān)系結(jié)構(gòu)）存儲的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。次型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、關(guān)系結(jié)構(gòu)）存儲的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。41 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMSRDBMS）以其成熟的數(shù)據(jù)管理以其成熟的數(shù)據(jù)管理一致性、完整性、可靠性、安全性、穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用一致性、完整性、可靠性、安全性、穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用各行各業(yè)，成為各行各業(yè)，成為MISMIS開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。42 關(guān)系數(shù)據(jù)庫以關(guān)系數(shù)據(jù)模型組織數(shù)據(jù)，即數(shù)

22、據(jù)以行和關(guān)系數(shù)據(jù)庫以關(guān)系數(shù)據(jù)模型組織數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)以行和列構(gòu)成的二維表結(jié)構(gòu)進行組織，如在一個關(guān)于雇員、供應(yīng)列構(gòu)成的二維表結(jié)構(gòu)進行組織，如在一個關(guān)于雇員、供應(yīng)商、顧客和產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫中，顧客數(shù)據(jù)可用如下關(guān)系表組商、顧客和產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫中，顧客數(shù)據(jù)可用如下關(guān)系表組織：織：姓名姓名年齡年齡住址住址職業(yè)職業(yè)購買量購買量 數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項：也稱為字段，是可以定義數(shù)據(jù)的最小單：也稱為字段，是可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，它與現(xiàn)實世界實體的屬性相對應(yīng)。位，它與現(xiàn)實世界實體的屬性相對應(yīng)。 記錄記錄：由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成，是處理和存儲：由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成，是處理和存儲信息的基本單位，是關(guān)于一個實體的數(shù)據(jù)總和，構(gòu)成該信

23、息的基本單位，是關(guān)于一個實體的數(shù)據(jù)總和，構(gòu)成該記錄的數(shù)據(jù)項表示實體的若干屬性。記錄的數(shù)據(jù)項表示實體的若干屬性。 43 在上述關(guān)于雇員、供應(yīng)商、顧客和產(chǎn)品的關(guān)系數(shù)據(jù)庫在上述關(guān)于雇員、供應(yīng)商、顧客和產(chǎn)品的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，可快速回答中，可快速回答“2005“2005年購買量在前十位的顧客年購買量在前十位的顧客”等查詢等查詢問題。問題。 但但“列出居住在離公司總部列出居住在離公司總部5 5公里范圍內(nèi)的顧客公里范圍內(nèi)的顧客”這樣這樣的問題，就會將的問題，就會將RDBMSRDBMS置于無望的尷尬境地。因為這一過程置于無望的尷尬境地。因為這一過程需要將公司總部和顧客地址變換到一個可以計算距離的參需要將公司總部

24、和顧客地址變換到一個可以計算距離的參照系統(tǒng)中，然后計算總部與顧客的地址的距離，并保留距照系統(tǒng)中，然后計算總部與顧客的地址的距離，并保留距離小于離小于5 5公里的顧客。公里的顧客。 44 傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不具有空間索引機制，無法處理傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不具有空間索引機制，無法處理多維坐標數(shù)據(jù)的排序問題。多維坐標數(shù)據(jù)的排序問題。 因此，為了解決空間查詢和分析問題，因此，為了解決空間查詢和分析問題，GISGIS必須要有必須要有自已專用的數(shù)據(jù)庫自已專用的數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫。45 GISGIS中的數(shù)據(jù)大多數(shù)都是空間數(shù)據(jù)，它與通中的數(shù)據(jù)大多數(shù)都是空間數(shù)據(jù)，它與通常意義上的數(shù)據(jù)相比，具有自己的特征

25、常意義上的數(shù)據(jù)相比，具有自己的特征. . 46空間數(shù)據(jù)的特征空間數(shù)據(jù)的特征 空間分布特征空間分布特征 非結(jié)構(gòu)化特征非結(jié)構(gòu)化特征 空間關(guān)系特征空間關(guān)系特征 海量數(shù)據(jù)特征海量數(shù)據(jù)特征 分類編碼特征分類編碼特征47 空間分布特征空間分布特征 每個空間對象都具有空間坐標，即空間對象隱含了空每個空間對象都具有空間坐標，即空間對象隱含了空間分布特征。這意味著在空間數(shù)據(jù)組織方面間分布特征。這意味著在空間數(shù)據(jù)組織方面, ,要考慮它的空間要考慮它的空間分布特征。除了通用性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)或文件系統(tǒng)關(guān)鍵字的分布特征。除了通用性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)或文件系統(tǒng)關(guān)鍵字的索引和輔關(guān)鍵字索引以外，一般需要建立空間索引。索引和輔關(guān)鍵

26、字索引以外，一般需要建立空間索引。 48 非結(jié)構(gòu)化特征非結(jié)構(gòu)化特征 在通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)記錄一般是結(jié)構(gòu)化在通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)記錄一般是結(jié)構(gòu)化的。即滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型的第一范式要求，每一條記錄是定的。即滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型的第一范式要求，每一條記錄是定長的，數(shù)據(jù)項表達的只能是原子數(shù)據(jù)，不允許嵌套記錄。長的，數(shù)據(jù)項表達的只能是原子數(shù)據(jù)，不允許嵌套記錄。 而空間數(shù)據(jù)則不能滿足這種結(jié)構(gòu)化要求。若用一條記錄而空間數(shù)據(jù)則不能滿足這種結(jié)構(gòu)化要求。若用一條記錄表達一個空間對象，它的數(shù)據(jù)項可能是變長的，例如，表達一個空間對象，它的數(shù)據(jù)項可能是變長的，例如，1 1條弧條弧段的坐標，它可能是段

27、的坐標，它可能是2 2對坐標，也可能是對坐標，也可能是1010萬對坐標。萬對坐標。 49 此外此外，1 1個對象可能包含另外的個對象可能包含另外的1 1個或多個對象，例個或多個對象，例如，如，1 1個多邊形，它可能含有多條弧段。若個多邊形，它可能含有多條弧段。若1 1條記錄表示條記錄表示1 1條弧段，在這種情況下，條弧段，在這種情況下，1 1條多邊形的記錄就可能嵌套條多邊形的記錄就可能嵌套多條弧段的記錄，所以它不滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型的范式要多條弧段的記錄，所以它不滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型的范式要求。求。 非結(jié)構(gòu)化是空間數(shù)據(jù)難以直接采用通用的關(guān)系型非結(jié)構(gòu)化是空間數(shù)據(jù)難以直接采用通用的關(guān)系型 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的

28、主要原因。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要原因。50 空間關(guān)系特征空間關(guān)系特征 除了空間分布特征外，空間數(shù)據(jù)中記錄的拓撲信息表達除了空間分布特征外，空間數(shù)據(jù)中記錄的拓撲信息表達了多種空間關(guān)系。這種拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給空間數(shù)據(jù)的一致性和了多種空間關(guān)系。這種拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性（實體完整性、域完整性、參照完整性）維護增加了完整性（實體完整性、域完整性、參照完整性）維護增加了復雜性。如矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的面對象，僅記錄組成它的弧段復雜性。如矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的面對象，僅記錄組成它的弧段的標識，因而進行查找、顯示和分析操作時都要操縱和檢索的標識，因而進行查找、顯示和分析操作時都要操縱和檢索多個數(shù)據(jù)文件方能得以

29、實現(xiàn)。多個數(shù)據(jù)文件方能得以實現(xiàn)。51 海量數(shù)據(jù)特征海量數(shù)據(jù)特征 空間數(shù)據(jù)通常比一般的通用數(shù)據(jù)量要大得多，稱海量數(shù)空間數(shù)據(jù)通常比一般的通用數(shù)據(jù)量要大得多，稱海量數(shù)據(jù)。如一個城市地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量可能達幾十據(jù)。如一個城市地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量可能達幾十GBGB，如果如果考慮影像數(shù)據(jù)的存貯，可能達幾百個考慮影像數(shù)據(jù)的存貯，可能達幾百個GBGB。 分類編碼特征分類編碼特征 在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，每一個空間對象都有一個分類編碼在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，每一個空間對象都有一個分類編碼, ,而這種分類編碼往往屬于國家標準或行業(yè)標準，且該編碼是而這種分類編碼往往屬于國家標準或行業(yè)標準，且該編碼是與它象不同的唯一的編碼。與

30、它象不同的唯一的編碼。52 另一方面，另一方面，GISGIS的的空間分析空間分析操作，也對傳統(tǒng)操作，也對傳統(tǒng)RDBMSRDBMS提出了提出了挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)。 常用常用GISGIS分析操作列表分析操作列表搜索搜索 專題搜索、區(qū)域搜索、分類專題搜索、區(qū)域搜索、分類定位分析定位分析 緩沖區(qū)分析、疊加分析緩沖區(qū)分析、疊加分析地形分析地形分析 坡度、流向、水系坡度、流向、水系分布分布 接近、最近鄰居接近、最近鄰居空間分析空間分析 模式、拓撲模式、拓撲度量度量 距離、周長、面積距離、周長、面積53 空間數(shù)據(jù)庫已成為近年來數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的研究熱點，空間數(shù)據(jù)庫已成為近年來數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的研究熱點，其研究成果（如多維空間索

31、引）已開始應(yīng)用于各種領(lǐng)域。其研究成果（如多維空間索引）已開始應(yīng)用于各種領(lǐng)域。商業(yè)數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)商已推出專門處理空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，如商業(yè)數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)商已推出專門處理空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，如ESRIESRI開發(fā)的空間數(shù)據(jù)庫引擎（開發(fā)的空間數(shù)據(jù)庫引擎（ArcSDEArcSDE）,Oracle,Oracle公司開發(fā)公司開發(fā)的空間數(shù)據(jù)插件等。的空間數(shù)據(jù)插件等。54 空間數(shù)據(jù)庫的定義空間數(shù)據(jù)庫的定義 空間數(shù)據(jù)庫是指以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型表達、存空間數(shù)據(jù)庫是指以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型表達、存儲和管理空間信息，滿足不同用戶空間分析需求的數(shù)據(jù)庫。儲和管理空間信息，滿足不同用戶空間分析需求的數(shù)據(jù)庫。 空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)

32、庫是GISGIS中空間數(shù)據(jù)的存儲場所，在地理信息系中空間數(shù)據(jù)的存儲場所，在地理信息系統(tǒng)中發(fā)揮著核心的作用，是統(tǒng)中發(fā)揮著核心的作用，是GISGIS發(fā)展的技術(shù)支柱。發(fā)展的技術(shù)支柱。 地理信息系統(tǒng)幾次重大的技術(shù)革命都是與空間數(shù)據(jù)庫管地理信息系統(tǒng)幾次重大的技術(shù)革命都是與空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展相關(guān)的。八十年代，文件系統(tǒng)與關(guān)系數(shù)據(jù)理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展相關(guān)的。八十年代，文件系統(tǒng)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)結(jié)合的空間數(shù)據(jù)管理方式和九十年代末出現(xiàn)的對庫管理系統(tǒng)結(jié)合的空間數(shù)據(jù)管理方式和九十年代末出現(xiàn)的對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都代表著當時象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都代表著當時GISGIS軟件的基本特征。軟件的基本特征。 55 空

33、間數(shù)據(jù)庫管理模式空間數(shù)據(jù)庫管理模式 （1 1）文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理模式）文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理模式 即用文件系統(tǒng)管理空間圖形數(shù)據(jù)，用商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管即用文件系統(tǒng)管理空間圖形數(shù)據(jù)，用商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理屬性數(shù)據(jù)，它們之間的聯(lián)系通過目標標識或者內(nèi)理系統(tǒng)管理屬性數(shù)據(jù)，它們之間的聯(lián)系通過目標標識或者內(nèi)部連接碼進行連接。是早期的空間數(shù)據(jù)庫管理模式。部連接碼進行連接。是早期的空間數(shù)據(jù)庫管理模式。 56 在混合管理模式中，圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的查詢與維護可在混合管理模式中，圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的查詢與維護可在一個界面上進行，在一個界面上進行， GISGIS軟件商只要開發(fā)軟件商只要開發(fā)GISGIS與與

34、ODBCODBC( (開放性開放性數(shù)據(jù)庫連接協(xié)議數(shù)據(jù)庫連接協(xié)議) )的接口軟件，就可以將屬性數(shù)據(jù)與任何一個的接口軟件，就可以將屬性數(shù)據(jù)與任何一個支持支持ODBCODBC協(xié)議的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)連接。協(xié)議的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)連接。 57 但混合管理模式中的幾何圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)除但混合管理模式中的幾何圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)除它們的它們的ODIODI作為連接關(guān)鍵字段以外，兩者幾乎是獨立作為連接關(guān)鍵字段以外，兩者幾乎是獨立地組織、管理與檢索，查詢與檢索效率低。地組織、管理與檢索，查詢與檢索效率低。 此外，由于文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)此外，由于文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致

35、性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復方面缺少基本的功能。多用戶操作的并發(fā)控制比起商恢復方面缺少基本的功能。多用戶操作的并發(fā)控制比起商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來要遜色得多，因而用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來要遜色得多，因而GISGIS軟件商一直在軟件商一直在尋找采用商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來同時管理圖形和屬性數(shù)尋找采用商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)。據(jù)。 混合管理模式并不是真正意上的空間數(shù)據(jù)庫?；旌瞎芾砟Ｊ讲⒉皇钦嬲馍系目臻g數(shù)據(jù)庫。58 （2 2）全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理模式）全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理模式 是指圖形和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理。是指

36、圖形和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理。關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件廠商不作任何擴展，由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件廠商不作任何擴展，由GISGIS軟件商軟件商在此基礎(chǔ)上進行開發(fā)，使之不僅能管理結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行開發(fā)，使之不僅能管理結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)，而且能管理非結(jié)構(gòu)化的圖形數(shù)據(jù)。而且能管理非結(jié)構(gòu)化的圖形數(shù)據(jù)。 目前大部分關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都提供了二進制塊的字目前大部分關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都提供了二進制塊的字段域，以適應(yīng)管理多媒體數(shù)據(jù)或可變長文本字符。段域，以適應(yīng)管理多媒體數(shù)據(jù)或可變長文本字符。GISGIS利用這利用這種功能，將圖形數(shù)據(jù)的變長部分（坐標數(shù)據(jù)）當作一個二進種功能，將圖形數(shù)據(jù)

37、的變長部分（坐標數(shù)據(jù)）當作一個二進制塊，交由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行存貯和管理。制塊，交由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行存貯和管理。 但是二進制塊的讀寫效率要比定長的屬性字段慢得多，但是二進制塊的讀寫效率要比定長的屬性字段慢得多，特別是涉牽對象的嵌套，速度更慢。特別是涉牽對象的嵌套，速度更慢。 59 （3 3）對象）對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 采用面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)采用面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫集成與應(yīng)用，是目前最為流行的空間數(shù)據(jù)管理模據(jù)的無縫集成與應(yīng)用，是目前最為流行的空間數(shù)據(jù)管理模式。式。 方式一：方式一：GISGIS軟件廠商在傳統(tǒng)關(guān)

38、系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上軟件廠商在傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上進行擴展，外加一個空間數(shù)據(jù)管理引擎（如進行擴展，外加一個空間數(shù)據(jù)管理引擎（如ESRIESRI公司的公司的ArcSDEArcSDE，MapInfoMapInfo公司的公司的Spacial WareSpacial Ware）。）。 該方式將該方式將GISGIS的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)由的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)由RDBMSRDBMS統(tǒng)一進行存統(tǒng)一進行存儲和管理?？臻g數(shù)據(jù)庫引擎位于后臺關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與客戶端儲和管理。空間數(shù)據(jù)庫引擎位于后臺關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與客戶端之間，負責空間數(shù)據(jù)的檢索與分析。之間，負責空間數(shù)據(jù)的檢索與分析。 60 方式二：由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

39、的軟件商在關(guān)系數(shù)據(jù)庫方式二：由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件商在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進行空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊擴展，定義操管理系統(tǒng)中進行空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊擴展，定義操縱 點 、 線 、 面 、 圓 、 長 方 形 等 空 間 對 象 的縱 點 、 線 、 面 、 圓 、 長 方 形 等 空 間 對 象 的 A P IA P I（Application Programming InterfaceApplication Programming Interface）函數(shù)。函數(shù)。 這種擴展的空間對象管理模塊主要解決了空間數(shù)據(jù)這種擴展的空間對象管理模塊主要解決了空間數(shù)據(jù)變長記錄的管理，但空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶

40、任意定變長記錄的管理，但空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶任意定義，使用上仍然受到一定限制。義，使用上仍然受到一定限制。61 ArcSDE:ArcSDE: ArcSDE(ArcSDE(空間數(shù)據(jù)引擎空間數(shù)據(jù)引擎) )是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所( ( ESRI)ESRI)研制的空間數(shù)據(jù)庫引擎，是一種中間件。它在研制的空間數(shù)據(jù)庫引擎，是一種中間件。它在GISGIS應(yīng)用程序和應(yīng)用程序和基于基于RDBMSRDBMS的空間數(shù)據(jù)庫間提供了一個開放的接口，實現(xiàn)空間的空間數(shù)據(jù)庫間提供了一個開放的接口，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫集成與應(yīng)用。數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫集成與應(yīng)用。 用戶可以通過空間數(shù)據(jù)引擎將用戶可以通

41、過空間數(shù)據(jù)引擎將GISGIS數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)提交給RDBMSRDBMS，由由RDBMSRDBMS統(tǒng)一存儲、管理；統(tǒng)一存儲、管理； 同樣客戶也可以通過它從同樣客戶也可以通過它從RDBMSRDBMS中獲中獲取取GISGIS數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成客戶可使用的格式。數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成客戶可使用的格式。 6263空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫集成與管理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫集成與管理64 Geodatebase Geodatebase ArcSDE ArcSDE采用全新的面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)模型采用全新的面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)模型GeodatabaseGeodatabase，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RD

42、BMSRDBMS）實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的訪問和查詢。）實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的訪問和查詢。65 Geodatebase Geodatebase66圖層 (feature class) 是一個表集用戶可見用戶可見用戶不可見用戶不可見ArcSDE Users can spatially enable theirbusiness data. ID Address100101102IDGeometryCreation date .100101102100101102屬性表* 空間索引Business Table Geodatebase Geodatebase67ArcSDEArcSDE的空間數(shù)據(jù)存儲模型的空間數(shù)據(jù)存儲模

43、型要素封裝邊要素封裝邊界界用以進行格用以進行格網(wǎng)空間索引網(wǎng)空間索引68三、空間索引69 空間索引的概念空間索引的概念 空間索引是指依據(jù)地理對象的位置、形狀或地理對象之空間索引是指依據(jù)地理對象的位置、形狀或地理對象之間的某種空間關(guān)系，按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。間的某種空間關(guān)系，按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 通過空間索引，可排除大量與特定空間操作無關(guān)的地理通過空間索引，可排除大量與特定空間操作無關(guān)的地理對象，快速定位到所選中的地理對象，從而提高空間操作的對象，快速定位到所選中的地理對象，從而提高空間操作的速度和效率。（如拼圖問題）速度和效率。（如拼圖問題） 空間索引的性能優(yōu)劣直接影響空間

44、數(shù)據(jù)庫和地理信息系空間索引的性能優(yōu)劣直接影響空間數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)的整體性能。統(tǒng)的整體性能。70基于空間索引的空間查詢基于空間索引的空間查詢71基于空間索引的空間查詢基于空間索引的空間查詢72 空間索引的方法空間索引的方法 空間索引空間索引格網(wǎng)索引格網(wǎng)索引BSPBSP樹索引樹索引KDBKDB樹索引樹索引R R樹索引樹索引目前目前GISGIS中最為常用的是格網(wǎng)索引和中最為常用的是格網(wǎng)索引和R R樹索引樹索引73 格網(wǎng)索引格網(wǎng)索引 格網(wǎng)索引是多對多的索引，其原理是在要素類的空間范格網(wǎng)索引是多對多的索引，其原理是在要素類的空間范圍內(nèi)劃分規(guī)則的格網(wǎng)。圍內(nèi)劃分規(guī)則的格網(wǎng)。 要素與格網(wǎng)單元的關(guān)系是：一個要素被一個或多個格