GIS6空间数据管理学习教案

1、会计学1GIS6空间数据管理空间数据管理课课 题：题：空间数据管理空间数据管理 目的要求：目的要求：掌握空间数据库的相关概念；掌握栅格数据结构和矢量数据结构的表示的方法，其存储方式，并能对两种数据结构进行比较和相互转换。了解空间数据的索引类型和信息查询的方法。教学重点：教学重点：空间数据库概念 栅格数据结构及其编码 矢量数据结构及其编码 数据结构的转换教学难点：教学难点：矢栅结构的比较和转换算法教学课时：教学课时：6课时教学方法教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：本次课涉及的学术前沿：第1页/共137页第2页/共137页1.1 空间数据库数据存储数据库数据管理程序库程序库( (数据库软件数据

2、库软件) )原始信息原始信息数据库数据库第3页/共137页 数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。 1.2 数据库管理系统 第4页/共137页数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 提供书写各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。它勾画出数据库的框架。第5页/共137页数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 应用数据装入数据库 a)键盘输入； b)接受另一个系 统 的数据文件第6页/共137页数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库

3、维护 数据库通讯 运行控制数据存取、更新数据完整性、有效性数据共享第7页/共137页数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 重新定义数据重新组织性能监督与分析数据库整理故障恢复第8页/共137页数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 操作系统接口处理各种语言接口远程操做接口处理第9页/共137页DBMS组成语言处理程序语言处理程序运行控制程序运行控制程序建立与维护程序建立与维护程序数据描述语言（DDL）数据操作语言（DML）终端命令解译系统控制数据存取数据更新并发控制数据完整性数据装入性能监控工作日志重新组织数据转储系统恢复S

4、QL语言：数据查询 Data Query数据定义 Data Definition数据操纵 Data Manipulation数据控制 Data Control第10页/共137页第11页/共137页第12页/共137页数据库管理员数据库管理员1. 决定数据库的信息内容2. 数据库系统的联络员3. 决定存储结构和访问策略4.决定系统的保护策略5. 监督系统工作第13页/共137页第14页/共137页文件记录数据项数据项组逻辑数据单位之间的关系物理单位: 位(比特)、字节、字、块(物理记录)、桶和卷逻辑单位: 数据项、数据项组、记录、文件和数据库一、数据的层次单位一、数据的层次单位1.3 数据与文

5、件组织第15页/共137页数据项数据项数据项组数据项组记录记录文件文件数据库数据库最基本的不可分割的数据单位,具有独立的逻辑意义逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的基本单位给定类型逻辑记录的全部具体值的集合文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在1.3 数据与文件组织第16页/共137页顺序文件随机文件索引文件 倒排文件它是物理顺序与逻辑顺序一致的文件1.3 数据与文件组织第17页/共137页顺序文件随机文件索引文件 倒排文件文件中的贮存是根据记录关键字的值，通过某种转换方法得到一个物理存贮位置，然后把记录存贮在该位置上。1.3 数据与文件组

6、织二、常用数据文件二、常用数据文件第18页/共137页顺序文件随机文件索引文件 倒排文件即带有索引的文件，它只能建立在随机存取介质上。1.3 数据与文件组织二、常用数据文件二、常用数据文件第19页/共137页顺序文件随机文件索引文件 倒排文件按照一些辅关键字来组织索引称为辅索引，带有这种辅索引的文件称为倒排文件。1.3 数据与文件组织二、常用数据文件二、常用数据文件第20页/共137页第21页/共137页矢量结构和栅格结构 第22页/共137页第23页/共137页第24页/共137页第25页/共137页Real worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowCol

7、umnTrianglesHexagons第26页/共137页 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 4 4 4 4 4

8、 4 7 7 7 7 4 7 7 7 4 4 4 4 8 7 7 8 0 8 4 0 8 7 7 8 0 8 8 0 0 8 0 0 8 8 7 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 （a）点 （b）线 （c）面第27页/共137页第28页/共137页第29页/共137页属性明显数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码定位隐含所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在格网文件的存储结构中 第30页/共137页

9、栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便第31页/共137页第32页/共137页例如：中心点O落在代码为C的地物范围内，按中心点法的规则，该矩形区域相应的栅格单元代码为C第33页/共137页例如：所示的例子中，显见B类地物所占面积最大，故相应栅格代码定为B 第34页/共137页例如：假设A类最重要的地物类型，即A比B和C类更为重要，则栅格单元的代码应为A第35页/共137页例如：可记面积最大的两类BA，也可以根据B类和A类所占面积百分比数在代码中加入数字 第36页/共137页第37页/共137页第38页/

10、共137页第39页/共137页第40页/共137页压缩编码方式压缩编码的目的就是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型分为信息无损编码编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息 信息有损编码为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失一部分相对不太重要的信息，解码时这部分难以恢复 第41页/共137页压缩编码方式在地理信息系统中的压缩编码多采用信息无损编码，而对原始遥感影像进行压缩时也可以采取有损压缩编码方法。 第42页/共137页压缩编码方式1 链码（链码（Chain Codes）链式编码又称为弗里曼链码（Freeman，1961）或边界链码。该编码方法将

11、数据表示为由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东0，东南1，南2，西南3，西4，西北5，北6，东北7 等八个基本方向。第43页/共137页例如，确定原点为像元（10，1），则某个多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。其中前两个数字10 和1 表示起点为第十行第一列，从第三个数字开始每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以07 的整数代表。链码（Chain Codes）第44页/共137页链码（Chain Co

12、des）优点：链式编码对多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，比较适于存储图形数据。缺点：对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的公共边界被重复存储会产生冗余。第45页/共137页压缩编码方式2 游程长度编码（游程长度编码（Run-Length Codes）它的基本思路是：对于一幅栅格图它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上像，常常有行（或列）方向上相邻的若相邻的若干点具有相同的属性代码干点具有相同的属性代码，因而可采取某

13、，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。种方法压缩那些重复的记录内容。 第46页/共137页游程长度编码（Run-Length Codes）其实现方法有两种一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。 另一种游程长度编码方案就是逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码 第47页/共137页游程长度编码示例按第一种编码方法，此数据游程长度编码：（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

14、），（8，1）； (0，3)， (8，5)； (0，4)， (8，4)； (0，5)， (8，3)。用44个整数表达了原始数据中的64个栅格。第48页/共137页游程长度编码示例按第二种编码方法，此数据游程长度编码（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1，4），（4，0）；（1，4），（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）。 第49页/共137页游程长度编码优缺点优点压缩效率较高，且易于进行检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机

15、器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况 缺点对于图斑破碎，属性和边界多变的数据压缩效率较低，甚至压缩后的数据量比原始数据还大。 第50页/共137页压缩编码方式3 块码（块码（Chain Codes） 块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。 第51页/共137页块码编码示例 0 4 4 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 4 4 4 8 8 8 8 8 7 7 4 4 7 7 7 7 7 7

16、7 7 7 7 8 8 8 8 0 8 0 0 8 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 其块码编码为：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,

17、3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。第52页/共137页压缩编码方式4 四叉树四叉树编码编码四叉树编码将整个图像区逐步分解为四叉树编码将整个图像区逐步分解为一系列仅包含单一类型的方形区域，最小一系列仅包含单一类型的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。的方形区域为一个栅格象元。第53页/共137页四叉树编码 其其基本基本分割方法分割方法是将一幅栅格地图或是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其图像等分为四部分。逐块检查其栅格栅格属性值属性值(或灰度或灰度)。如果某个子区的所有栅格值都。如果某个子区的所有栅格值都具

18、有相同的值。则这个子区就不再继续分具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。含有相同的属性值或灰度为止。 第54页/共137页四叉树编码 由上而下的方法运算量大，耗时较由上而下的方法运算量大，耗时较长。因而实践中可以采用从下而上的方法长。因而实践中可以采用从下而上的方法建立四叉树编码。对栅格数据按如下的顺建立四叉树编码。对栅格数据按如下的顺序进行检测：如果每相邻四个栅格值相同序进行检测：如果每相邻四个栅格值相同则进行合并，逐次往上

19、递归合并，直到符则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法重复计算合四叉树的原则为止。这种方法重复计算较少，运算速度较快较少，运算速度较快。 第55页/共137页四叉树编码 采用四叉树编码时，为了保证四叉树分解能不断地进行下去，要求图像必须为2n2 n的栅格阵列，对于非标准尺寸的图像需首先通过增加背景的方法将图像扩充为2 n 2 n的图像。 第56页/共137页四叉树的结构方式四叉树结构按其编码的方法不同分为常规四叉树和线性四叉树：常规四叉树：除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达：四个叶结点指针，一个父结点指针和一个结点的属

20、性或灰度值。这些指针不仅增加了数据贮存量，而且增加了操作的复杂性。常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用。第57页/共137页四叉树的结构方式四叉树结构按其编码的方法不同分为常规四叉树和线性四叉树：线性四叉树：只存贮最后叶结点的信息。包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值。所谓深度是指处于四叉树的第几层上。由深度可推知子区的大小。线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的规则，这种编号称为地址码，它隐含了叶结点的位置和深度信息。最常用的地址码是四进制或十进制的Morton码。第58页/共137页四叉树编码示例 0 4 4 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 7 7 7 4 4 4 4

21、 8 8 7 7 0 0 4 8 8 8 7 7 0 0 8 8 8 8 7 8 0 0 0 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 第59页/共137页 其中最上面的结点叫根结点，它对应整个图形。此树共有4层结点，每个结点对应一个象限，如第2层4个结点分别对应于整个图形的四个象限，排列次序依次为南西（SW）、南东（SE）、北西（NW）和北东（NE），不能再分的结点称为终止结点（又称叶子结点），可能落在不同的层上，该结点代表的子象限具有单一的代码，所有终止结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，共有40个叶子结点，也就是

22、原图被划分为40个大小不等的方形子区（最下面的一排数字表示各子区的代码）。 四叉树编码示例第60页/共137页四叉树编码的优缺点优点：四叉树编码具有可变的分辨率，树的深度随数据的破碎程度而变化，并且有区域性质，压缩数据灵活，许多数据和转换运算可以在编码数据上直接实现，大大地提高了运算效率，并支持拓扑“洞”（嵌套多边形）的表达，是优秀的栅格压缩编码之一 。缺点：其最大不足是其不稳定性，即同样的原始数据应用不同的算法进行编码可能会得到不同的编码结果。不利于数据分析。第61页/共137页压缩编码方式5 其他编码其他编码还有很多编码方法，如傅立叶变换、小波还有很多编码方法，如傅立叶变换、小波变换、余弦

23、变换等，常常用于遥感原始数变换、余弦变换等，常常用于遥感原始数据的压缩。由于它们多数是据的压缩。由于它们多数是有损压缩有损压缩，一，一般不用于需要进行分析的栅格数据。在四叉般不用于需要进行分析的栅格数据。在四叉树基础上发展而来的八叉树目前也是研究热树基础上发展而来的八叉树目前也是研究热点之一。点之一。第62页/共137页压缩编码的相关问题同所有的数据结构问题一样，压缩编码过程的主要矛盾也是数据量压缩和运算时间之间的矛盾：为了更有效地利用空间资源，减少数据冗余，不得不花费更多的运算时间进行编码 。好的压缩编码方法就是要在尽可能减少运算时间的基础上达到最大的数据压缩效率，并且算法要适应性强，易于实

24、现 第63页/共137页常见栅格压缩编码方法总结：链码的压缩效率较高，已经近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域的性质，区域运算困难 。游程长度编码既可以在很大程度上压缩数据，又最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码十分容易。但对破碎数据处理效果不好。块码和四叉树编码具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，但运算效率是其瓶颈。其中四叉树编码可以直接进行大量图形图像运算，效率较高，是很有前途的方法。第64页/共137页第65页/共137页栅格数据文件像元1x坐标（行号）y坐标（列号）1层属性值编码2层属性值编码N层属性值编码像元2像元M栅格数据文件层1x坐标（行号）y坐标（列

25、号）属性值编码层2层N像元1像元2像元M栅格数据文件层1像元1的坐标属性值编码层2层N多边形1像元2的坐标像元S的坐标多边形2多边形T（a）基于像元（b）基于层(c)基于多边形第66页/共137页3矢量数据结构及其编码 基本概念特点编码方式第67页/共137页矢量数据结构 ：通过尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。在一般情况下，其精度比栅格数据结构高得多。其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制。 第68页/共137页几何体的类型第69页/共137页矢量数据的类型Buildings. PolygonStreams, LineWe

26、lls, PointRoads, LineZoning,PolygonMAP SHEETS第70页/共137页第71页/共137页第72页/共137页第73页/共137页第74页/共137页(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)Line(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)PolygonPoint(X,Y)第75页/共137页第76页/共137页第77页/共137页第78页/共137页唯一标识码是系统排列序号；线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点号可直接用坐标表示；显示信息是显示时的文本或符号等；与线相联系的非几何属性可以直接存储于线

27、文件中，也可单独存储，而由标识码联接查找。 第79页/共137页第80页/共137页第81页/共137页第82页/共137页第83页/共137页多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（1）第84页/共137页图形数据10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；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；x23,y23；x8,y8；x9,y9；x1

28、0,y10；x11,y11；30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28； 编码数据第85页/共137页多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（1）第86页/共137页裂缝不重合重叠第87页/共137页多边形

29、矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）第88页/共137页图形数据多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）第89页/共137页线与多边形之间的树状索引多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）第90页/共137页点与边界线之间的树状索引 多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）第91页/共137页形成的文件记录第92页/共137页 树状索引编码消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到，但是比较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关系带来一定的

30、困难，而且两个编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错。 多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）第93页/共137页第94页/共137页该结构包括以下内容：该结构包括以下内容：唯一标识唯一标识多边形标识多边形标识外包多边形指针外包多边形指针邻接多边形指针邻接多边形指针边界链接边界链接范围范围较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度和数据库的大小表示地理实体的方法精确，数据存储效率高，地图输出质量好第95页/共137页第96页/共137页Delaunay三角构网法：准则：任何一个Delaunay三角形的外接圆的内部不能包含其他任何点。Voronoi多边形边界是由delau

31、nay三角形的各边的垂直平分线组成。每个Voronoi多边形仅包括一个数据点。第97页/共137页第98页/共137页第99页/共137页第100页/共137页优点优点缺点缺点矢量数据矢量数据1数据结构紧凑、冗余数据结构紧凑、冗余度低度低2有利于网络和检索分有利于网络和检索分析析3图形显示质量好、精图形显示质量好、精度高度高1数据结构复杂数据结构复杂2多边形叠加分析比较多边形叠加分析比较困难困难栅格数据栅格数据1数据结构简单数据结构简单2便于空间分析和地表便于空间分析和地表模拟模拟3现势性较强现势性较强1数据量大数据量大2投影转换比较复杂投影转换比较复杂第101页/共137页第102页/共13

32、7页射线算法单个多边形的转换多个多边形的转换 第103页/共137页第104页/共137页ccccccbcccaaabbcccaaaaccccaaaacccccaaacccccccccc0cccccbc0caaabbc0ca0aacc0caa0acc0ccaaac000ccccc0a ac da bc da bd da ba ba bc ba bc aa bb da bb aa ba ba ab ba aa ba ab aa bb ba ba aa）b）c）d）e）f）a）b）c）d）e）f）g）h）节点边界第105页/共137页 ，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。 在空间数据的组织方面，空间索引机制是实现空间数据快速查询检索的重要手段，也是海量空间数据管理所必须的。空间索引是一个层次结构 第106页/共137页工 程工作区 1工作区 2工作区 n工作区索引工作层1工作层 2工作层 n地物空间索引地物层空间索引的层次