空間數(shù)據(jù)管理課件

第六章

空間數(shù)據(jù)管理第六章空間數(shù)據(jù)管理16.1數(shù)據(jù)的管理6.2空間數(shù)據(jù)的管理6.5空間索引6.6元數(shù)據(jù)6.7柵格與影像數(shù)據(jù)庫6.8時空數(shù)據(jù)模型第六章

空間數(shù)據(jù)管理6.1數(shù)據(jù)的管理第六章空間數(shù)據(jù)管理26.1數(shù)據(jù)的管理計算機對數(shù)據(jù)的管理到目前為止，共經(jīng)歷了四個階段：程序管理階段文件管理階段數(shù)據(jù)庫管理階段數(shù)據(jù)倉庫階段數(shù)據(jù)與程序共存順序文件索引文件直接文件倒排文件數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)、融合等，面向主題組織，服務(wù)于決策系統(tǒng)層次數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫6.1數(shù)據(jù)的管理計算機對數(shù)據(jù)的管理到目前為止，共經(jīng)歷了四個31、文件管理方式文件管理是將GIS中所有的數(shù)據(jù)都存放在自行定義的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操縱工具的一個或者多個文件中，包括非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)等?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩者之間通過標(biāo)識碼建立聯(lián)系。GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)文件文件管理系統(tǒng)標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)管理方式

1、文件管理方式文件管理是將GIS中所有的數(shù)據(jù)都存放在自行定4各個地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?yīng)各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當(dāng)兩個GIS應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)有相同部分時，可以提出來作為公共數(shù)據(jù)文件缺點是：1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時，應(yīng)用程序也隨之需要改變。2）以文件形式共享，當(dāng)多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可，不能達到真正的共享?？臻g、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件2GIS應(yīng)用2空間、屬性數(shù)據(jù)文件3各個地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?yīng)各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當(dāng)兩個52.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方式是目前絕大多數(shù)商用GIS軟件所采用的數(shù)據(jù)管理方案，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。這種方案用商用DBMS管理屬性數(shù)據(jù)，用文件系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù)，空間實體位置與其屬性通過標(biāo)識碼建立聯(lián)系。兩者幾乎獨立地組織、管理和檢索,由于空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分開存儲，在表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)方面缺乏完整的語義表達和存儲機制；難以保證數(shù)據(jù)的存儲和操作的統(tǒng)一ArcInfo,MapInfo,Microstation

GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)據(jù)文件文件管理系統(tǒng)標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方式GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性6數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)比較文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集中控制分散的、不能多用戶共享、不能統(tǒng)一控制、維護和管理多用戶共享，統(tǒng)一控制、維護和管理冗余度冗余大，增加存儲空間能夠消除部分冗余獨立性數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序共存數(shù)據(jù)獨立于應(yīng)用程序數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型簡單，順排文件，隨機文件……數(shù)據(jù)模型復(fù)雜：層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ蛿?shù)據(jù)保護無完整性控制、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)比較文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集中控制分散的、不7數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型1層次模型2網(wǎng)絡(luò)模型3關(guān)系模型4面向?qū)ο竽Ｐ蛿?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型1層次模型8數(shù)據(jù)庫文件文件文件。。。。。。記錄記錄記錄記錄。。。。。。。。。。。。。。數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)組織的層次關(guān)系圖數(shù)據(jù)庫文件文件文件。。。。。。記9層次模型表示層次模型反映了實體之間的層次關(guān)系，簡單、直觀，易于理解優(yōu)點：層次和關(guān)系清楚，檢索路線明確；缺點：不能表示多對多的關(guān)系，對任何對象的查詢都必須從層次結(jié)構(gòu)的根結(jié)點開始，數(shù)據(jù)獨立性較差，插入和刪除操作比較復(fù)雜。

MⅠⅡabcdcef12233441343554ⅠⅡabcdef12354M層次模型表示層次模型反映了實體之間的層次關(guān)系，簡單、直觀，易10網(wǎng)狀模型表示網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)，優(yōu)點：適用于數(shù)據(jù)間相互關(guān)系非常復(fù)雜的情況，具有一定的數(shù)據(jù)獨立和數(shù)據(jù)共享特性，且運行效率較高；缺點：由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶查詢的定位困難，指針的存在使數(shù)據(jù)量大大增加，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜時ⅠⅡabcdef12354MMⅠⅡabcdef12345網(wǎng)狀模型表示網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)11關(guān)系模型表示多邊形編號產(chǎn)權(quán)人面積地物特征Ⅰ張三125.2林地Ⅱ李四43.5麥地優(yōu)點：結(jié)構(gòu)靈活，可滿足所有用布爾邏輯運算和數(shù)學(xué)運算規(guī)則形成的詢問要求，能夠搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù)，加入和刪除數(shù)據(jù)都非常方便。缺點：搜索速度隨關(guān)系的復(fù)雜度增加而下降，只能查找和檢索滿足特定關(guān)系的數(shù)據(jù)。(1)多邊形關(guān)系表(2)邊界－結(jié)點關(guān)系表(3)結(jié)點坐標(biāo)表ⅠⅡabcdef12354M關(guān)系模型表示多邊形編號產(chǎn)權(quán)人面積地物特征Ⅰ張三125.2林地12關(guān)系模型例關(guān)系模型例13現(xiàn)實世界抽象對象1對象n對象2地理對象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質(zhì)相聯(lián)系，不同的目的就會有不同劃分。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型對象的定義：無論怎樣復(fù)雜的事例都可以準(zhǔn)確地由一個對象表示，每個對象都是包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實體。對象與封裝類繼承多態(tài)……現(xiàn)實世界抽象對對對地理對象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法對象的劃分：根14GIS中面向?qū)ο竽Ｐ?）空間地物的幾何數(shù)據(jù)模型通常最高等級的類為點、線、面2）拓撲關(guān)系與面向?qū)ο竽Ｐ鸵渣c或弧段對象的標(biāo)識號來表示弧段和面域的相互關(guān)系3）面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型可能與幾何對象的劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致GIS中面向?qū)ο竽Ｐ?）空間地物的幾何數(shù)據(jù)模型15GIS中面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)空間實體復(fù)雜實體面域弧段節(jié)點面實體線實體點實體體實體簡單實體GIS中面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)空間實體復(fù)雜實體面域弧段節(jié)點面實體16交通線水系人工交通線自然交通線河流湖泊池塘公路運河可航行河流不可航行河流交通線水系人工交通線自然交通線河流湖泊池塘公路運河可航行河流17面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型耕地園地林地居民地牧草地未用地交通用地水域GIS城鎮(zhèn)農(nóng)村居民點工礦地控制點電力設(shè)施公園街道建筑物操作：查詢插入刪除屬性：標(biāo)識碼區(qū)號街道號房主等建筑日期：職員庫操作屬性職員編號工資姓名酒店設(shè)施庫房間床位操作屬性工廠醫(yī)院學(xué)校居民住宅酒店商店郵局銀行面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型耕地園地林地居民地牧草地未用地交通用地18MapGIS空間實體模型更接近人類面向?qū)ο髮嶓w的思維方式全面支持對象、類、子類、子類型、關(guān)系、有效性規(guī)則、數(shù)據(jù)集、地理數(shù)據(jù)庫等概念對象類型覆蓋GIS和CAD對模型的雙重要求要素可描述任意幾何復(fù)雜度的實體完善的關(guān)系定義支持多層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持幾何數(shù)據(jù)的矢量表示法和解析表示法……MapGIS空間實體模型更接近人類面向?qū)ο髮嶓w的思維方式196.2空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性空間數(shù)據(jù)管理模式6.2空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征201空間特征：一般需要建立空間索引。2非結(jié)構(gòu)化特征：

結(jié)構(gòu)化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。3空間關(guān)系特征：

拓撲數(shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護增加了復(fù)雜性。

4分類編碼特征：一種地物類型對應(yīng)一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文件。5海量數(shù)據(jù)特征?？臻g數(shù)據(jù)特征？1空間特征：一般需要建立空間索引?？臻g數(shù)據(jù)特征？216.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性空間數(shù)據(jù)管理模式6.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征22傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性

不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符實體類型較少，并且難以充分表達實體間復(fù)雜的空間關(guān)系存貯的數(shù)據(jù)通常為定長記錄的數(shù)據(jù)只操縱和查詢文字和數(shù)字信息，難以處理圖形信息？傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和236.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性空間數(shù)據(jù)管理模式6.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征24空間數(shù)據(jù)管理模式基于文件管理混合結(jié)構(gòu)模型擴展結(jié)構(gòu)模型面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)管理模式基于文件管理25缺點：1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時，應(yīng)用程序也隨之改變。2）以文件形式共享，當(dāng)多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可。不能達到真正的共享，即數(shù)據(jù)項、記錄項的共享。GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用2空間、屬性數(shù)據(jù)文件2空間、屬性數(shù)據(jù)文件3基于文件的管理方式X缺點：GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用2空間、屬性26兩個子系統(tǒng)分別存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。記錄之間通過關(guān)鍵字聯(lián)系混合結(jié)構(gòu)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)文件＋混合結(jié)構(gòu)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)文件＋27混合結(jié)構(gòu)模型GIS應(yīng)用軟件Arc/Info圖形用戶界面ArcEdit屬性用戶界面Tables圖形數(shù)據(jù)文件庫屬性數(shù)據(jù)庫圖形處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)oid

采用文件與RDBMS的混合管理模式中圖形數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺少基本的功能。因而GIS軟件商需要尋找能同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)的商用DBMS。

混合結(jié)構(gòu)模型GIS應(yīng)用軟件圖形用戶界面ArcEdit屬性用戶28GIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。擴展結(jié)構(gòu)模型（I）

——全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理GIS應(yīng)用擴展DBMS以容納空間數(shù)據(jù)商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫原理：將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成BinaryBlock字段（多媒體或變長文本）。省去大量關(guān)系連接操作，但BinaryBlock的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。OracleLongRawInformix4.xBLOBFoxfroGeneralSQLServerIMAGEGIS軟件商進行的擴展ESRIArcSDEMapInfoSpatialWareGIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的29DBMS軟件商在RDBMS中進行擴展，使之能直接存儲和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Informix和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的ＡＰＩ函數(shù)。

主要解決空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，效率比二進制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)GIS要求再定義，使用上受一定限制。GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊

商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫擴展結(jié)構(gòu)模型（II）

——對象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫軟件商進行的擴展OracleOracleSpatialDBMS軟件商在RDBMS中進行擴展，使之能直接存儲30

面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達和管理，它不僅支持變長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。

允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及它的操作?？梢詫⒖臻g對象根據(jù)ＧＩＳ需要，定義合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶和不帶拓撲，當(dāng)帶拓撲時，涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。

面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的核心是對復(fù)雜對象的模擬和操作。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)管理

當(dāng)前已推出了若干OODBMS如O2等，也出現(xiàn)一個基于OODBMS的ＧＩＳ，但由于OODBMS價格昂貴且技術(shù)還不成熟，目前在ＧＩＳ領(lǐng)域不太通用。

基于對象—關(guān)系的SDBMS將可能成為GIS空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展的主流。面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達和管理，它不316.1數(shù)據(jù)的管理6.2空間數(shù)據(jù)的管理6.5空間索引6.6元數(shù)據(jù)6.7柵格與影像數(shù)據(jù)庫6.8時空數(shù)據(jù)模型第六章空間數(shù)據(jù)管理6.1數(shù)據(jù)的管理第六章空間數(shù)據(jù)管理326.5空間索引什么是空間索引對存儲在介質(zhì)上的數(shù)據(jù)位置信息的描述為什么要建立空間索引計算機硬件技術(shù)的限制傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)不適用于空間數(shù)據(jù)？6.5空間索引什么是空間索引？336.5空間索引矩形范圍索引單元格網(wǎng)索引R樹索引四叉樹索引6.5空間索引矩形范圍索引單元格網(wǎng)索引R樹索引四叉樹索引34矩形范圍索引

在記錄每個空間對象的坐標(biāo)時，同時記錄每個空間對象最大最小坐標(biāo)。這樣，在檢索空間對象時，根據(jù)空間對象的最大最小范圍，預(yù)先排除那些沒有落入檢索窗口內(nèi)的的空間對象，僅對那些最大最小范圍落在檢索窗口的空間對象進行進一步的判斷，最后檢索出那些真正落入檢索窗口內(nèi)的空間對象。

矩形范圍索引在記錄每個空間對象的坐標(biāo)時，同時記錄每個35假設(shè)外包矩形的坐標(biāo)為gxmin,gymin,gxmax,gymax，利用SQL模型查詢落在舉行范圍內(nèi)的空間要素：SELECTid0fromowner.GeoObjeTb1WHERE(gxmin<XMAXANDgxmin>XMIN)AND(gxmax<XMAXANDgxmax>XMIN)AND(gymin<YMAXANDgymin>YMIN)AND(gymax<YMAXANDgymax>YMIN)這種方法沒有建立真正的空間索引文件，而是在空間對象的數(shù)據(jù)文件中增加了最大最小范圍一項，它主要靠空間計算來進行判斷。當(dāng)空間要素不超過30萬個時，初次過濾速度快，所以矩形范圍索引方法適用于中小型數(shù)據(jù)量的GIS。假設(shè)外包矩形的坐標(biāo)為gxmin,gymin,gxmax,gy36單元格網(wǎng)索引2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042

也叫柵格索引，它是將工作區(qū)按照一定的規(guī)則劃分成格網(wǎng)，然后記錄每個格網(wǎng)內(nèi)所包含的空間對象。通常建立一個平行于坐標(biāo)軸的正方形數(shù)字網(wǎng)格，把整個數(shù)據(jù)庫數(shù)值空間劃分成32×32（或64×64）的正方形網(wǎng)格，建立空間索引文件。A

BC

單元格網(wǎng)索引21232931535561632022283037Morton碼空間對象7A14C15C26C37C39C48C50C54B55B60B空間對象Morton碼A7-7B54-55B60-60F14-15F26-26F37-37F39-39F48-48空間索引對象索引2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042AB

C

行列Morton碼空間對象7A14C15C26C37C39C48386.6.1元數(shù)據(jù)的定義及作用定義：地理的數(shù)據(jù)和信息資源的描述性信息。它通過對地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、條件和其他特征進行描述與說明，以便人們有效地定位、評價、比較、獲取和使用與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)。作用：

用來組織和管理空間信息，并挖掘空間信息資源。幫助數(shù)據(jù)使用者查詢所需空間信息。組織和維護一個機構(gòu)對數(shù)據(jù)的投資。用來建立空間信息的數(shù)據(jù)目錄和數(shù)據(jù)交換中心。提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的信息。6.6.1元數(shù)據(jù)的定義及作用定義：396.6.2元數(shù)據(jù)的分類按照元數(shù)據(jù)所描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容分：數(shù)據(jù)集系列元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)要素類型和要素實例元數(shù)據(jù)屬性類型和屬性實例元數(shù)據(jù)屬性類型和屬性實例元數(shù)據(jù)6.6.2元數(shù)據(jù)的分類按照元數(shù)據(jù)所描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容分：406.6.3元數(shù)據(jù)的內(nèi)容第一層是目錄層，主要用于對數(shù)據(jù)集信息進行宏觀描述，適合在數(shù)字地球的國家級空間信息交換中心或區(qū)域以及全球范圍內(nèi)管理和查詢空間信息時使用。第二層是空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的主體，由八個基本內(nèi)容部分和四個引用部分組成。

6.6.3元數(shù)據(jù)的內(nèi)容第一層是目錄層，主要用于對數(shù)據(jù)集信息416.7柵格與影像數(shù)據(jù)庫柵格數(shù)據(jù)庫可以與矢量數(shù)據(jù)庫聯(lián)合使用，復(fù)合顯示各種專題信息細節(jié)層次模型金字塔及分塊顯示6.7柵格與影像數(shù)據(jù)庫柵格數(shù)據(jù)庫可以與矢量數(shù)據(jù)庫聯(lián)合使用，42

時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究內(nèi)容包括以下三個方面：(1)空間時態(tài)數(shù)據(jù)的表達

空間時態(tài)數(shù)據(jù)表達的目的在于建立空間時態(tài)一體化數(shù)據(jù)模型。它涉及到時間標(biāo)志、空間時態(tài)版本的標(biāo)識、空間變化類型的定義、空間拓撲與時態(tài)拓撲、空間時態(tài)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，以及存取策略等內(nèi)容。(2)空間時態(tài)數(shù)據(jù)的更新

空間時態(tài)數(shù)據(jù)的更新研究空間數(shù)據(jù)更新的類型、操作方法，更新對時空數(shù)據(jù)庫中空間和時態(tài)拓撲的影響，以及拓撲重建等問題。(3)空間時態(tài)數(shù)據(jù)的查詢

空間時態(tài)數(shù)據(jù)的查詢探討空間時態(tài)數(shù)據(jù)的各種跟蹤算法，多維信息的復(fù)合、分析、可視化等。6.8時空數(shù)據(jù)模型時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究內(nèi)容包括以下三個方面：436.8.2時態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型1．時間片快照模型

常規(guī)的時空數(shù)據(jù)模型(如遙感圖像數(shù)據(jù)的采集方式)即屬于時間片快照模型。它是用一系列狀態(tài)對應(yīng)的地理數(shù)據(jù)來反映地理現(xiàn)象的時空演化過程。其中可分為矢量快照模型和柵格快照模型兩類。（1）優(yōu)點可以直接在當(dāng)前的地理信息系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)。當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫總是處于有效狀態(tài)。（2）缺點僅代表地理現(xiàn)象的瞬時狀態(tài)，缺乏對現(xiàn)象所包含的對象變化的明確表現(xiàn)，因此不能確定地理現(xiàn)象所包含的對象之間在時間上的拓撲聯(lián)系。由于時間片快照是對狀態(tài)數(shù)據(jù)的完整存儲，造成數(shù)據(jù)的冗余度極大。6.8.2時態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型1．時間片快照模型（1）優(yōu)點44第六章

空間數(shù)據(jù)管理第六章空間數(shù)據(jù)管理456.1數(shù)據(jù)的管理6.2空間數(shù)據(jù)的管理6.5空間索引6.6元數(shù)據(jù)6.7柵格與影像數(shù)據(jù)庫6.8時空數(shù)據(jù)模型第六章

空間數(shù)據(jù)管理6.1數(shù)據(jù)的管理第六章空間數(shù)據(jù)管理466.1數(shù)據(jù)的管理計算機對數(shù)據(jù)的管理到目前為止，共經(jīng)歷了四個階段：程序管理階段文件管理階段數(shù)據(jù)庫管理階段數(shù)據(jù)倉庫階段數(shù)據(jù)與程序共存順序文件索引文件直接文件倒排文件數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)、融合等，面向主題組織，服務(wù)于決策系統(tǒng)層次數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫6.1數(shù)據(jù)的管理計算機對數(shù)據(jù)的管理到目前為止，共經(jīng)歷了四個471、文件管理方式文件管理是將GIS中所有的數(shù)據(jù)都存放在自行定義的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操縱工具的一個或者多個文件中，包括非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)等?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩者之間通過標(biāo)識碼建立聯(lián)系。GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)文件文件管理系統(tǒng)標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)管理方式

1、文件管理方式文件管理是將GIS中所有的數(shù)據(jù)都存放在自行定48各個地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?yīng)各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當(dāng)兩個GIS應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)有相同部分時，可以提出來作為公共數(shù)據(jù)文件缺點是：1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時，應(yīng)用程序也隨之需要改變。2）以文件形式共享，當(dāng)多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可，不能達到真正的共享。空間、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件2GIS應(yīng)用2空間、屬性數(shù)據(jù)文件3各個地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?yīng)各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當(dāng)兩個492.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方式是目前絕大多數(shù)商用GIS軟件所采用的數(shù)據(jù)管理方案，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。這種方案用商用DBMS管理屬性數(shù)據(jù)，用文件系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù)，空間實體位置與其屬性通過標(biāo)識碼建立聯(lián)系。兩者幾乎獨立地組織、管理和檢索,由于空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分開存儲，在表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)方面缺乏完整的語義表達和存儲機制；難以保證數(shù)據(jù)的存儲和操作的統(tǒng)一ArcInfo,MapInfo,Microstation

GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性數(shù)據(jù)據(jù)文件文件管理系統(tǒng)標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方式GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)文件屬性50數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)比較文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集中控制分散的、不能多用戶共享、不能統(tǒng)一控制、維護和管理多用戶共享，統(tǒng)一控制、維護和管理冗余度冗余大，增加存儲空間能夠消除部分冗余獨立性數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序共存數(shù)據(jù)獨立于應(yīng)用程序數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型簡單，順排文件，隨機文件……數(shù)據(jù)模型復(fù)雜：層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ蛿?shù)據(jù)保護無完整性控制、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)比較文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集中控制分散的、不51數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型1層次模型2網(wǎng)絡(luò)模型3關(guān)系模型4面向?qū)ο竽Ｐ蛿?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型1層次模型52數(shù)據(jù)庫文件文件文件。。。。。。記錄記錄記錄記錄。。。。。。。。。。。。。。數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)組織的層次關(guān)系圖數(shù)據(jù)庫文件文件文件。。。。。。記53層次模型表示層次模型反映了實體之間的層次關(guān)系，簡單、直觀，易于理解優(yōu)點：層次和關(guān)系清楚，檢索路線明確；缺點：不能表示多對多的關(guān)系，對任何對象的查詢都必須從層次結(jié)構(gòu)的根結(jié)點開始，數(shù)據(jù)獨立性較差，插入和刪除操作比較復(fù)雜。

MⅠⅡabcdcef12233441343554ⅠⅡabcdef12354M層次模型表示層次模型反映了實體之間的層次關(guān)系，簡單、直觀，易54網(wǎng)狀模型表示網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)，優(yōu)點：適用于數(shù)據(jù)間相互關(guān)系非常復(fù)雜的情況，具有一定的數(shù)據(jù)獨立和數(shù)據(jù)共享特性，且運行效率較高；缺點：由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶查詢的定位困難，指針的存在使數(shù)據(jù)量大大增加，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜時ⅠⅡabcdef12354MMⅠⅡabcdef12345網(wǎng)狀模型表示網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)55關(guān)系模型表示多邊形編號產(chǎn)權(quán)人面積地物特征Ⅰ張三125.2林地Ⅱ李四43.5麥地優(yōu)點：結(jié)構(gòu)靈活，可滿足所有用布爾邏輯運算和數(shù)學(xué)運算規(guī)則形成的詢問要求，能夠搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù)，加入和刪除數(shù)據(jù)都非常方便。缺點：搜索速度隨關(guān)系的復(fù)雜度增加而下降，只能查找和檢索滿足特定關(guān)系的數(shù)據(jù)。(1)多邊形關(guān)系表(2)邊界－結(jié)點關(guān)系表(3)結(jié)點坐標(biāo)表ⅠⅡabcdef12354M關(guān)系模型表示多邊形編號產(chǎn)權(quán)人面積地物特征Ⅰ張三125.2林地56關(guān)系模型例關(guān)系模型例57現(xiàn)實世界抽象對象1對象n對象2地理對象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質(zhì)相聯(lián)系，不同的目的就會有不同劃分。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型對象的定義：無論怎樣復(fù)雜的事例都可以準(zhǔn)確地由一個對象表示，每個對象都是包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實體。對象與封裝類繼承多態(tài)……現(xiàn)實世界抽象對對對地理對象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法對象的劃分：根58GIS中面向?qū)ο竽Ｐ?）空間地物的幾何數(shù)據(jù)模型通常最高等級的類為點、線、面2）拓撲關(guān)系與面向?qū)ο竽Ｐ鸵渣c或弧段對象的標(biāo)識號來表示弧段和面域的相互關(guān)系3）面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型可能與幾何對象的劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致GIS中面向?qū)ο竽Ｐ?）空間地物的幾何數(shù)據(jù)模型59GIS中面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)空間實體復(fù)雜實體面域弧段節(jié)點面實體線實體點實體體實體簡單實體GIS中面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)空間實體復(fù)雜實體面域弧段節(jié)點面實體60交通線水系人工交通線自然交通線河流湖泊池塘公路運河可航行河流不可航行河流交通線水系人工交通線自然交通線河流湖泊池塘公路運河可航行河流61面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型耕地園地林地居民地牧草地未用地交通用地水域GIS城鎮(zhèn)農(nóng)村居民點工礦地控制點電力設(shè)施公園街道建筑物操作：查詢插入刪除屬性：標(biāo)識碼區(qū)號街道號房主等建筑日期：職員庫操作屬性職員編號工資姓名酒店設(shè)施庫房間床位操作屬性工廠醫(yī)院學(xué)校居民住宅酒店商店郵局銀行面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型耕地園地林地居民地牧草地未用地交通用地62MapGIS空間實體模型更接近人類面向?qū)ο髮嶓w的思維方式全面支持對象、類、子類、子類型、關(guān)系、有效性規(guī)則、數(shù)據(jù)集、地理數(shù)據(jù)庫等概念對象類型覆蓋GIS和CAD對模型的雙重要求要素可描述任意幾何復(fù)雜度的實體完善的關(guān)系定義支持多層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持幾何數(shù)據(jù)的矢量表示法和解析表示法……MapGIS空間實體模型更接近人類面向?qū)ο髮嶓w的思維方式636.2空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性空間數(shù)據(jù)管理模式6.2空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征641空間特征：一般需要建立空間索引。2非結(jié)構(gòu)化特征：

結(jié)構(gòu)化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。3空間關(guān)系特征：

拓撲數(shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護增加了復(fù)雜性。

4分類編碼特征：一種地物類型對應(yīng)一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文件。5海量數(shù)據(jù)特征?？臻g數(shù)據(jù)特征？1空間特征：一般需要建立空間索引?？臻g數(shù)據(jù)特征？656.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性空間數(shù)據(jù)管理模式6.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征66傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性

不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符實體類型較少，并且難以充分表達實體間復(fù)雜的空間關(guān)系存貯的數(shù)據(jù)通常為定長記錄的數(shù)據(jù)只操縱和查詢文字和數(shù)字信息，難以處理圖形信息？傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和676.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的局限性空間數(shù)據(jù)管理模式6.3空間數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)特征68空間數(shù)據(jù)管理模式基于文件管理混合結(jié)構(gòu)模型擴展結(jié)構(gòu)模型面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)管理模式基于文件管理69缺點：1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時，應(yīng)用程序也隨之改變。2）以文件形式共享，當(dāng)多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可。不能達到真正的共享，即數(shù)據(jù)項、記錄項的共享。GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用2空間、屬性數(shù)據(jù)文件2空間、屬性數(shù)據(jù)文件3基于文件的管理方式X缺點：GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用2空間、屬性70兩個子系統(tǒng)分別存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。記錄之間通過關(guān)鍵字聯(lián)系混合結(jié)構(gòu)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)文件＋混合結(jié)構(gòu)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)文件＋71混合結(jié)構(gòu)模型GIS應(yīng)用軟件Arc/Info圖形用戶界面ArcEdit屬性用戶界面Tables圖形數(shù)據(jù)文件庫屬性數(shù)據(jù)庫圖形處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)oid

采用文件與RDBMS的混合管理模式中圖形數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺少基本的功能。因而GIS軟件商需要尋找能同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)的商用DBMS。

混合結(jié)構(gòu)模型GIS應(yīng)用軟件圖形用戶界面ArcEdit屬性用戶72GIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。擴展結(jié)構(gòu)模型（I）

——全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理GIS應(yīng)用擴展DBMS以容納空間數(shù)據(jù)商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫原理：將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成BinaryBlock字段（多媒體或變長文本）。省去大量關(guān)系連接操作，但BinaryBlock的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。OracleLongRawInformix4.xBLOBFoxfroGeneralSQLServerIMAGEGIS軟件商進行的擴展ESRIArcSDEMapInfoSpatialWareGIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的73DBMS軟件商在RDBMS中進行擴展，使之能直接存儲和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Informix和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的ＡＰＩ函數(shù)。

主要解決空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，效率比二進制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)GIS要求再定義，使用上受一定限制。GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊

商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫擴展結(jié)構(gòu)模型（II）

——對象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫軟件商進行的擴展OracleOracleSpatialDBMS軟件商在RDBMS中進行擴展，使之能直接存儲74

面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達和管理，它不僅支持變長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。

允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及它的操作?？梢詫⒖臻g對象根據(jù)ＧＩＳ需要，定義合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶和不帶拓撲，當(dāng)帶拓撲時，涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。

面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的核心是對復(fù)雜對象的模擬和操作。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)管理

當(dāng)前已推出了若干OODBMS如O2等，也出現(xiàn)一個基于OODBMS的ＧＩＳ，但由于OODBMS價格昂貴且技術(shù)還不成熟，目前在ＧＩＳ領(lǐng)域不太通用。

基于對象—關(guān)系的SDBMS將可能成為GIS空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展的主流。面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達和管理，它不756.1數(shù)據(jù)的管理6.2空間數(shù)據(jù)的管理6.5空間索引6.6元數(shù)據(jù)6.7柵格與影像數(shù)據(jù)庫6.8時空數(shù)據(jù)模型第六章空間數(shù)據(jù)管理6.1數(shù)據(jù)的管理第六章空間數(shù)據(jù)管理766.5空間索引什么是空間索引對存儲在介質(zhì)上的數(shù)據(jù)位置信息的描述為什么要建立空間索引計算機硬件技術(shù)的限制傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)不適用于空間數(shù)據(jù)？6.5空間索引什么是空間索引？776.5空間索引矩形范圍索引單元格網(wǎng)索引R樹索引四叉樹索引6.5空間索引矩形范圍索引單元格網(wǎng)索引R樹索引四叉樹索引78矩形范圍索引

在記錄每個空間對象的坐標(biāo)時，同時記錄每個空間對象最大最小坐標(biāo)。這樣，在檢索空間對象時，根據(jù)空間對象的最大最小范圍，預(yù)先排除那些沒有落入檢索窗口內(nèi)的的空間對象，僅對那些最大最小范圍落在檢索窗口的空間對象進行進一步的判斷，最后檢索出那些真正落入檢索窗口內(nèi)的空間對象。

矩形范圍索引在記錄每個空間對象的坐標(biāo)時，同時記錄每個79假設(shè)外包矩形的坐標(biāo)為gxmin,gymin,gxmax,gymax，利用SQL模型查詢落在舉行范圍內(nèi)的空間要素：SELECTid0fromowner.GeoObjeTb1WHERE(gxmin<XMAXANDgxmin>XMIN)AND(gxmax<XMAXANDgxmax>XMIN)AND(gymin<YMAXANDgymin>YMIN)AND(gymax<YMAXANDgymax>YMIN)這種方法沒有建立真正的空間索引文件，而是在空間對象的數(shù)據(jù)文件中增加了最大最小范圍一項，它主要靠空間計算來進行判斷。當(dāng)空間要素不超過30萬個時，初次過濾速度快，所以矩形范圍索引方法適用于中小型數(shù)據(jù)量的GIS。假設(shè)外包矩形的坐標(biāo)為gxmin,gymin,gxmax,gy80單元格網(wǎng)索引2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042

也叫柵格索引，它是將工作區(qū)按照一定的規(guī)則劃分成格網(wǎng)，然后記錄每個格網(wǎng)內(nèi)所包含的空間對象。通常建立一個平行于坐標(biāo)軸的正方形數(shù)字網(wǎng)格，把整個數(shù)據(jù)庫數(shù)值空間劃分成32×32（或64×64）的正方形網(wǎng)格，建立空間索引文件。A

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