第5章空间数据组织与管理

1、第第5章章 空间数据组织与管理空间数据组织与管理朱朱 莹莹主要内容主要内容 空间数据库概述空间数据库概述 空间数据管理空间数据管理 空间数据组织空间数据组织 空间索引空间索引 空间数据库查询语言空间数据库查询语言空间数据库概述空间数据库概述 数据库基础数据库基础 数据数据是描述事物的符号记录，可以是数字形式，也可是描述事物的符号记录，可以是数字形式，也可以是文字、图形、图像、声音、语言等多种表现形式以是文字、图形、图像、声音、语言等多种表现形式 数据库数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合的数据集合 数据库中的数据按一定的数据模型组织、

2、描述和储存，数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，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 数据库基础数据库基础 最常用的数据模型最常用的数据模型 层次模型（层次模型（HierarchicalModel） 网状模型（网状模型（NetworkModel） 关系模型（关系模型（RelationalModel） 面向对象模型（面向对象模型（ObjectOrientedModel）非关系模型非关系模型数据库基础数据库基础文件系统文件系统网状数据库管理系统网状数据库管理系统.数据模型演化数据模型演化层次数据

3、库管理系统层次数据库管理系统面向对象数据库管理系统面向对象数据库管理系统关系数据库管理系统关系数据库管理系统对象关系数据库管理系统对象关系数据库管理系统空间数据库空间数据库 地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库）地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库）是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；是地理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空间数据的总和 空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数

4、据的场所场所 空间数据库系统空间数据库系统在整个地理信息系统中占有极其重要的地在整个地理信息系统中占有极其重要的地位，是地理信息系统发挥功能和作用的关键，主要表现在：位，是地理信息系统发挥功能和作用的关键，主要表现在：用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中 空间数据库空间数据库 空间数据库的特点：空间数据库的特点： 数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要

5、素的空间位要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置和空间关系等，其数据量往往很大置和空间关系等，其数据量往往很大 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系分割的联系 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路

6、建设等等空间数据库空间数据库 空间数据库的组成空间数据库的组成 栅格数据库栅格数据库 栅格数据包括航空遥感影栅格数据包括航空遥感影像数据和像数据和DEM数据数据 矢量数据库矢量数据库 矢量数据则包括各种空间矢量数据则包括各种空间实体数据（图形和属性数实体数据（图形和属性数据）据） 空间数据库空间数据库空间对象空间对象影影像像数字数字高程高程模型模型图形图形属性属性空间数据库组成空间数据库组成空间数据管理空间数据管理 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 空间特征空间特征 每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特征，因此数据库应

7、对空间数据建立空间索引征，因此数据库应对空间数据建立空间索引 非结构化特征非结构化特征 在关系数据库管理系统中，数据记录中每条记录都是定长的在关系数据库管理系统中，数据记录中每条记录都是定长的（结构化），数据项不能再分，不允许嵌套记录，空间数据不（结构化），数据项不能再分，不允许嵌套记录，空间数据不满足这种定长（结构化）要求，使得空间图形数据难以直接采满足这种定长（结构化）要求，使得空间图形数据难以直接采用通用的关系数据管理系统用通用的关系数据管理系统 空间数据管理空间数据管理 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 空间关系特征空间关系特征 空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，还通过拓扑

8、数空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，还通过拓扑数据结构表达了多种空间关系据结构表达了多种空间关系 拓扑数据结构一方面虽然方便了空间数据查询和空间分析，但拓扑数据结构一方面虽然方便了空间数据查询和空间分析，但另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂度另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂度 如拓扑的面状实体仅记录组成它的弧段标识，因而进行查找、如拓扑的面状实体仅记录组成它的弧段标识，因而进行查找、显示和分析操作时都需要操作和检索多个数据文件显示和分析操作时都需要操作和检索多个数据文件 多尺度与多态性多尺度与多态性 不同观察比例尺具有不同的尺度和精度，同一地物在不同情

9、况不同观察比例尺具有不同的尺度和精度，同一地物在不同情况下也会有形态差异下也会有形态差异 如城市在空间上占据一定的范围，在较大比例尺中作为面状空如城市在空间上占据一定的范围，在较大比例尺中作为面状空间实体对象，而在较小比例尺中，则作为点状空间对象来处理间实体对象，而在较小比例尺中，则作为点状空间对象来处理空间数据管理空间数据管理 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 分类编码特征分类编码特征 每个空间对象都有一个分类编码，这种分类编码往往是按照国每个空间对象都有一个分类编码，这种分类编码往往是按照国家标准，或者行业标准、地区标准来应用家标准，或者行业标准、地区标准来应用 海量数据特征海量数据特

10、征 GIS中数据量非常庞大，远大于一般的通用数据库，称为海量中数据量非常庞大，远大于一般的通用数据库，称为海量数据数据 一个城市地理信息系统数据量可达几十一个城市地理信息系统数据量可达几十GB，如果考虑影像数，如果考虑影像数据的存储，可能达到几百个据的存储，可能达到几百个GB 需要在二维空间上划分块或图幅，在垂直方向上划分层进行数需要在二维空间上划分块或图幅，在垂直方向上划分层进行数据组织据组织空间数据管理空间数据管理 通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题：通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题： GIS需要一些复杂的图形功能，一般的需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能

11、支持不能支持 DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作基本操作 地理信息表达复杂，表达单个地理实体需多个文件、多条记录，地理信息表达复杂，表达单个地理实体需多个文件、多条记录，或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性数据的关键字以及非空间专题属性等数据的关键字以及非空间专题属性等 具有高度内部联系的具有高度内部联系的GIS数据记录需要复杂的安全维护系统，为数据记录需要复杂的安全维护系统，为了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列了保

12、证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据文件产生错误文件产生错误空间数据管理空间数据管理 通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题：问题： GIS中空间数据记录是变长的（存储的坐标点的数目随中空间数据记录是变长的（存储的坐标点的数目随空间对象的变化而变化），而一般数据库都只允许把空间对象的变化而变化），而一般数据库都只允许把记录的长度设定为固定长度。另外，在存储和维护空记录的长度设定为固定长度。另外，在存储和维护空间数据拓扑

13、关系方面，间数据拓扑关系方面，DBMS也存在着缺陷也存在着缺陷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分对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分开组织的开组织的 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： 文件文件/关系数据库混合管理关系数据库混合管理 全关系管理全关系管理 对象关系数据库管理对象关系数据库管理矢量数据的管理矢量数据的管理 文件文件-关系数据库混合管理关系数据库混合管理 传统传统GIS软件采用文件与关系数据库混合方式管理空间软件采用文

14、件与关系数据库混合方式管理空间数据，比较典型的是数据，比较典型的是ArcInfo，有的系统也采用纯文件，有的系统也采用纯文件方式管理空间数据，如方式管理空间数据，如MapInfo；即用文件系统管理几；即用文件系统管理几何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两者之间通过目标标识或内部连接码进行连接者之间通过目标标识或内部连接码进行连接 OID（目标（目标ID或内部连接码）或内部连接码）图形数据图形数据属性数据属性数据矢量数据的管理矢量数据的管理 文件文件-关系数据库混合管理方式的缺点：关系数据库混合管理方式的缺点： 属性数据和图形数据通过属性数

15、据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算，联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢模型操作运算速度慢 数据发布和共享困难数据发布和共享困难 属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、一致属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、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少基本的功能 缺乏表示空间对象及其关系的能力缺乏表示空间对象及其关系的能力矢量数据的管理矢量数据的管理 全关系型数据库管理全关系型数据库管理 图形数据与属性数据都采用现有的关系型数据库存储，图形数据与属性数据都采用现有的关系型数据库存储，使用关系数据库标准连接机制

16、进行空间数据与属性数使用关系数据库标准连接机制进行空间数据与属性数据的连接据的连接 DBMS空间数据库空间数据库GIS界面界面属性数据属性数据（定长记录）（定长记录）空间数据空间数据（变长记录）（变长记录）关系表关系表二进制块二进制块全关系管理空间数据全关系管理空间数据矢量数据的管理矢量数据的管理 对变长结构的空间几何数据的处理方法：对变长结构的空间几何数据的处理方法： 按照关系数据库组织数据的基本准则，对变长的几何数据进行关按照关系数据库组织数据的基本准则，对变长的几何数据进行关系范式分解，分解成定长记录的数据表进行存储系范式分解，分解成定长记录的数据表进行存储 缺点：根据关系模型的分解与连

17、接原则，在处理一个空间对象如面对缺点：根据关系模型的分解与连接原则，在处理一个空间对象如面对象时，需要进行大量的连接操作，非常费时象时，需要进行大量的连接操作，非常费时 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二进制二进制Block块字段块字段 如如Oracle公司引入公司引入LongRaw数据类型；数据类型；Informix版本引入的版本引入的BLOB（二进制数据块）数据类型；（二进制数据块）数据类型；SQLServer引入引入IMAGE数据类型数据类型 缺点：这种存储方式，虽然省去了大量关系连接操作，但二进制块的缺点：这种存储方式，虽然省去了大量关系连接操作，但二进

18、制块的读写效率要比定长的属性字段慢得多，特别是涉及对象的嵌套，速度读写效率要比定长的属性字段慢得多，特别是涉及对象的嵌套，速度更慢更慢 矢量数据的管理矢量数据的管理 对象对象-关系数据库管理关系数据库管理 对关系数据库管理系统进行扩展，使之能直接存储和对关系数据库管理系统进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据管理非结构化的空间数据 如如Informix和和Oracle等都推出了空间数据管理的专用模块，定等都推出了空间数据管理的专用模块，定义了操纵点、线、面、圆、长方形等空间对象的义了操纵点、线、面、圆、长方形等空间对象的API函数函数 这些函数将各种中间对象的数据结构进行了预先的定这

19、些函数将各种中间对象的数据结构进行了预先的定义，用户使用时必须满足它的数据结构要求，用户不义，用户使用时必须满足它的数据结构要求，用户不能根据能根据GIS要求再定义要求再定义 例如这种函数涉及的空间对象一般不带拓扑关系，多边形的数例如这种函数涉及的空间对象一般不带拓扑关系，多边形的数据是直接跟随边界的空间坐标，据是直接跟随边界的空间坐标，GIS用户不能将设计的拓扑数用户不能将设计的拓扑数据结构采用这种对象据结构采用这种对象-关系模型进行存储关系模型进行存储矢量数据的管理矢量数据的管理对象关系管理空间数据对象关系管理空间数据GIS应用应用商用商用DBMS空间数据管理空间数据管理专用模块专用模块空

20、间和属性数据库空间和属性数据库矢量数据的管理矢量数据的管理 扩展的空间对象管理模块扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据的变长记录主要解决了空间数据的变长记录的管理的管理，由数据库软件商进行扩展，效率要比前面所述的，由数据库软件商进行扩展，效率要比前面所述的二进制块的管理高得多。但是它仍然没有解决对象的嵌套二进制块的管理高得多。但是它仍然没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构也不能内用户任意定义，使用上仍受问题，空间数据结构也不能内用户任意定义，使用上仍受到一定限制到一定限制 空间数据还包括数字高程模型、影像数据及其他专题数据。空间数据还包括数字高程模型、影像数据及其他专题数据。虽然利用关系数

21、据库管理系统中的大对象字段可以分块存虽然利用关系数据库管理系统中的大对象字段可以分块存贮影像和贮影像和DEM数据，但是对于多尺度数据，但是对于多尺度DEM数据，影像数数据，影像数据的空间索引、无缝拼接与漫游、多数据源集成等技术还据的空间索引、无缝拼接与漫游、多数据源集成等技术还没有一个完整的解决方案没有一个完整的解决方案 栅格数据的管理栅格数据的管理 栅格影像不仅包含了属性信息，还包含了隐藏的栅格影像不仅包含了属性信息，还包含了隐藏的空间位置信息（即格网的行、列信息），即隐含空间位置信息（即格网的行、列信息），即隐含着属性数据与空间位置数据之间的关联关系着属性数据与空间位置数据之间的关联关系

22、栅格数据的管理包括：栅格数据的管理包括： 基于文件的影像数据库管理基于文件的影像数据库管理 文件结合数据库影像管理文件结合数据库影像管理 基于关系数据库管理基于关系数据库管理文件管理方式文件管理方式 目前大部分目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是采软件和遥感图像处理软件都是采用文件方式来管理遥感影像数据用文件方式来管理遥感影像数据 遥感影像数据并不是仅仅包含图像数据本身，还遥感影像数据并不是仅仅包含图像数据本身，还包含大量的图像元数据信息（如图像类型、摄影包含大量的图像元数据信息（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日期、摄影比例尺等），遥感图像数据本身还具有多数据

23、源、多时相等特点有多数据源、多时相等特点 数据的安全性、并发控制和数据共享等都将使文数据的安全性、并发控制和数据共享等都将使文件管理无法应付件管理无法应付 文件文件-数据库管理方式数据库管理方式 实施这种方式管理影像数据时，影像数据仍按照实施这种方式管理影像数据时，影像数据仍按照文件方式组织管理；在关系数据库中，每个文件文件方式组织管理；在关系数据库中，每个文件都有唯一的标识号（都有唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件）对应影像信息，如文件名称、存储路径等名称、存储路径等 这种方式管理影像数据，不是真正的数据库管理这种方式管理影像数据，不是真正的数据库管理方式，影像数据并没有放入数据库中，

24、数据库管方式，影像数据并没有放入数据库中，数据库管理的只是其索引理的只是其索引 由于影像数据索引的存在，使影像数据的检索效由于影像数据索引的存在，使影像数据的检索效率得到提高率得到提高 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像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变长字段中，应用程序通过数数据存储在二进制变长字段中，应用程序通过数据访问接口来访问数据库中的影像数据。同时影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存放在关系数据库的表中像数据的元数据信息存放在关系数据库的表中 数据库方式管理影像数据的特点：数据库方式管理影像数

25、据的特点： 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 方便管理多数据源和多时态数据方便管理多数据源和多时态数据 支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享享 影像数据和元数据集成到一起，方便进行交互式查询影像数据和元数据集成到一起，方便进行交互式查询关系数据库管理关系数据库管理 数据库方式管理影像数据的特点：数据库方式管理影像数据的特点： 对对Client/Server的分布式应用支持较好，网络性能和的分布式应用支持较好，网络性能和数据传输速度都有很大提高数据传输速度都有很大提高 影像数据访问只能通过数据库驱动

26、接口访问，有利于影像数据访问只能通过数据库驱动接口访问，有利于数据的一致性和完整性控制数据的一致性和完整性控制 支持异构网络模式，即应用程序和后台数据库服务器支持异构网络模式，即应用程序和后台数据库服务器可以在不同操作系统平台下运行可以在不同操作系统平台下运行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数据库系统技术，在应用上取得了一定的成功，数据库系统技术，在应用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理但不得不部分地采取文件方式管理 用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与属用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与

27、属性数据是性数据是GIS发展的必然趋势发展的必然趋势 1996年，年，ESRI公司与公司与Oracle等数据库开发商合等数据库开发商合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型关系数据库中管理的产品，将其定名为关系数据库中管理的产品，将其定名为“spatialdatabaseengine”，简称，简称SDE，即为，即为“空间数据库引擎空间数据库引擎” 空间数据库引擎空间数据库引擎 之后许多的之后许多的GIS厂商和数据库厂商纷纷提出自己的商业化厂商和数据库厂商纷纷提出自己的商业化的产品和解决方案，比较成熟的有的产品和解决方案，比较成熟的有GIS厂商厂商E

28、SRI公司的公司的ArcSDE，MapInfo公司的公司的SpatialWare，数据库厂商，数据库厂商Oracle公司的公司的Spatial，Informix公司的公司的SpatialDataBlade等产品和技术等产品和技术 空间数据引擎主要是为解决存储在关系数据库中的空间数空间数据引擎主要是为解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问题据与应用程序之间的数据接口问题 空间数据库引擎主要有两种方式空间数据库引擎主要有两种方式 一种以一种以ESRI与数据库开发商联合开发的空间引擎与数据库开发商联合开发的空间引擎SDE为代表，可为代表，可称之为称之为“中间件中间件”方式的空间数

29、据库引擎方式的空间数据库引擎 另一种空间数据引擎由数据库厂商开发，即另一种空间数据引擎由数据库厂商开发，即“嵌入式嵌入式”空间数据空间数据库引擎库引擎 空间数据库引擎空间数据库引擎 OracleSpatial实际上只是在原来的数据库模型上实际上只是在原来的数据库模型上进行了空间数据模型的扩展，实现的是进行了空间数据模型的扩展，实现的是“点、线、点、线、面面”等简单要素的存储和检索，它并不能存储数等简单要素的存储和检索，它并不能存储数据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一个空间几据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一个空间几何网络何网络 ArcSDE解决了这些问题，并利用空间索引机制解决了这些问题，并利

30、用空间索引机制来提高查询速度，利用长事务和版本机制来实现来提高查询速度，利用长事务和版本机制来实现多用户同时操纵同一类型数据，利用特殊的表结多用户同时操纵同一类型数据，利用特殊的表结构来实现空间数据和属性数据的无缝集成构来实现空间数据和属性数据的无缝集成空间数据组织空间数据组织 以文件以文件-关系型管理模式为例关系型管理模式为例 图幅数据组织图幅数据组织 由于由于GIS工程涉及范围广（如全市、全省、全国甚至全工程涉及范围广（如全市、全省、全国甚至全球），在管理空间数据时必须进行分幅管理（同传统球），在管理空间数据时必须进行分幅管理（同传统地图分幅）地图分幅） 图幅一般对应一块区域，常见的分幅方

31、式有图幅一般对应一块区域，常见的分幅方式有标准分幅标准分幅和和区域分幅区域分幅 将一幅或相邻几幅图当作一个工作单元，称之为工作将一幅或相邻几幅图当作一个工作单元，称之为工作区（区（workspace） 图幅数据组织图幅数据组织GIS工程工程工作区工作区1工作区工作区2工作区工作区m工作层工作层1图幅图幅2图幅图幅n图幅图幅1工作层工作层2工作层工作层p地物类地物类2地物类地物类1地物类地物类q地物地物1地物地物2地物地物r.GIS数据的组织管理数据的组织管理图幅数据组织图幅数据组织 工作层被定义为空间数据处理的一个工作单元，工作区由工作层被定义为空间数据处理的一个工作单元，工作区由若干工作层组

32、成若干工作层组成 工作层在范围上可能与工作区一致，但在垂直方向上则因工作层在范围上可能与工作区一致，但在垂直方向上则因软件系统不同而名称和定义不同软件系统不同而名称和定义不同 ARC/INFO的工作层称为的工作层称为coverage，一个，一个coverage就是一个工作就是一个工作目录目录 MGE的工作层就是一个的工作层就是一个DGN文件，也称为文件，也称为catalog 在在GeoStar中，一个工作层就是一个中，一个工作层就是一个GDA文件文件 一个工作层可以是一个逻辑层，也可以是某一个覆盖层一个工作层可以是一个逻辑层，也可以是某一个覆盖层 工作层由一种或多种地物类组成，可以根据需要自行

33、定义工作层由一种或多种地物类组成，可以根据需要自行定义 图幅数据组织图幅数据组织空间数据的图库管理空间数据的图库管理 当当GIS所管理的区域和所要求的比例尺都比较大所管理的区域和所要求的比例尺都比较大时，如在城市规划管理信息系统中，数据库包含时，如在城市规划管理信息系统中，数据库包含大量的图幅，涉及多个工作区及很多工作层的数大量的图幅，涉及多个工作区及很多工作层的数据组织和管理，这时一个据组织和管理，这时一个GIS系统会包含几百、系统会包含几百、几千，甚至上万个工作区。几千，甚至上万个工作区。GIS软件必须让用户软件必须让用户能在整个区域内进行众多图幅（分区）、工作层能在整个区域内进行众多图幅

34、（分区）、工作层的调用，图幅拼接和跨图幅的剪切、开窗，跨图的调用，图幅拼接和跨图幅的剪切、开窗，跨图幅工作层的漫游、查询、分析和制图等。这就涉幅工作层的漫游、查询、分析和制图等。这就涉及到图库的管理及到图库的管理空间数据的图库管理空间数据的图库管理 在无缝大地图的方式下，图库管理职能通过有效在无缝大地图的方式下，图库管理职能通过有效的分幅（分区）、分层的空间索引，以满足用户的分幅（分区）、分层的空间索引，以满足用户对具体的局部区域和专题层的操作、检索的需要对具体的局部区域和专题层的操作、检索的需要 图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型GIS软件的必备

35、功能，其管理效率是衡量软件的必备功能，其管理效率是衡量GIS软件软件优劣的重要指标之一优劣的重要指标之一 属性数据组织属性数据组织 属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文件组织方属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文件组织方式也要服从工作层、工作区和图库的要求式也要服从工作层、工作区和图库的要求 属性文件组织的主要方式：属性文件组织的主要方式： 与工作层对应的组织方式与工作层对应的组织方式 一个工作区对应一个属性文件，属性文件建立在工作区目录下。一个工作区对应一个属性文件，属性文件建立在工作区目录下。Arc/Info采用这种方式，属性数据文件一般建立在对应的采用这种方式，属性数据文件一

36、般建立在对应的coverage目录之下。无论一个工作区包含多少地物类，其目录下仅有一个目录之下。无论一个工作区包含多少地物类，其目录下仅有一个AAT表（记录弧段属性数据）和一个表（记录弧段属性数据）和一个PAT表（记录多边形属性数据）。为表（记录多边形属性数据）。为了表达不同地物类的不同属性项，可以按照每个地物类建立一个扩展了表达不同地物类的不同属性项，可以按照每个地物类建立一个扩展的属性表，让它们通过地物编码和内部连接码与的属性表，让它们通过地物编码和内部连接码与AAT表和表和PAT表相连。表相连。因此在查询某一空间地物的属性时，先从因此在查询某一空间地物的属性时，先从AAT表和表和PAT表

37、中得到部分表中得到部分信息，再从关系连接查询到扩展属性信息。信息，再从关系连接查询到扩展属性信息。属性数据组织属性数据组织 与地物类对应的组织方式与地物类对应的组织方式 一个地物类文件对应一个属性表，在这种方式中，把一个地物类文件对应一个属性表，在这种方式中，把属性文件放在工程（项目）目录下集中管理，方便属属性文件放在工程（项目）目录下集中管理，方便属性查询。性查询。 MGE的属性数据文件是建立在地物类的基础上，将所的属性数据文件是建立在地物类的基础上，将所有的属性文件均放在对应的工程目录之下。也就是说，有的属性文件均放在对应的工程目录之下。也就是说，不同工作区的相同地物类的属性放在一起，这样

38、属于不同工作区的相同地物类的属性放在一起，这样属于属性的工程管理，提高了在工程范围内查找某一属性属性的工程管理，提高了在工程范围内查找某一属性的速度的速度 MGE并不要求每个地物类都带有属性表，无关紧要的并不要求每个地物类都带有属性表，无关紧要的地物可以不要属性表地物可以不要属性表属性数据组织属性数据组织 混合方式混合方式 由于前两种方式存在缺陷，例如一个工作区对应一个属性文件时，由于前两种方式存在缺陷，例如一个工作区对应一个属性文件时，如果工作区涉及多个工作层，工作层下再细分出逻辑层，采用这如果工作区涉及多个工作层，工作层下再细分出逻辑层，采用这种管理方式会给属性信息检索和更新带来极大不便；

39、采用单个地种管理方式会给属性信息检索和更新带来极大不便；采用单个地物类对应单属性数据时又过于死板，更具弹性的方式是既可以设物类对应单属性数据时又过于死板，更具弹性的方式是既可以设计一个地物类有一个属性表，又可以多个地物类共用一个属性计一个地物类有一个属性表，又可以多个地物类共用一个属性 在在GeoStar中，既可以对每一个地物类设计属性表，也可以对属中，既可以对每一个地物类设计属性表，也可以对属性项相同或相近的多个地物类设计一个公用的属性表。如高速公性项相同或相近的多个地物类设计一个公用的属性表。如高速公路、一级公路、二级公路、乡镇公路等，它们的地物类型编码可路、一级公路、二级公路、乡镇公路等

40、，它们的地物类型编码可能不同，但它们的属性项可能相同，因而它们可以共有一个属性能不同，但它们的属性项可能相同，因而它们可以共有一个属性表，以便于查询、显示和最佳路径分析表，以便于查询、显示和最佳路径分析 GeoStar的属性数据文件的组织与的属性数据文件的组织与MGE基本类似，在建立工程之基本类似，在建立工程之前，属性数据文件位于与工作区平行的目录之下；在工程建立之前，属性数据文件位于与工作区平行的目录之下；在工程建立之后，则直接位于工程目录之下。一个属性文件包括了该工程内所后，则直接位于工程目录之下。一个属性文件包括了该工程内所有同类空间对象的属性有同类空间对象的属性空间索引空间索引 空间索

41、引指依据空间对象的位置和形状或空间对空间索引指依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种象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对数据结构，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象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针 空间索引是一种辅助性的空间数据结构，介于空空间索引是一种辅助性的空间数据结构，介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，排除与特定空间操作无关的空间对象，提高空间排除与特定空间操作无关的空间对象，提高空间操作的速度和效率

42、操作的速度和效率空间索引空间索引 空间索引的类型空间索引的类型 对象范围索引对象范围索引 格网索引格网索引 四叉树空间索引四叉树空间索引 R树和树和R+树空间索引树空间索引对象范围索引对象范围索引 在记录每个空间实体的坐标时，记录包围每个空在记录每个空间实体的坐标时，记录包围每个空间实体的外接矩形的最大最小坐标间实体的外接矩形的最大最小坐标 在检索空间实体时，根据空间实体的最大最小范在检索空间实体时，根据空间实体的最大最小范围，预先排除那些没有落入检索窗口内的空间实围，预先排除那些没有落入检索窗口内的空间实体，仅对那些外接矩形落在检索窗口的空间实体体，仅对那些外接矩形落在检索窗口的空间实体作进

43、一步的判断，最后检索出那些真正落入窗口作进一步的判断，最后检索出那些真正落入窗口内的空间实体内的空间实体 对象范围索引没有创建真正的空间索引文件，而对象范围索引没有创建真正的空间索引文件，而是在空间对象的数据文件中增加了最大最小范围，是在空间对象的数据文件中增加了最大最小范围，主要依靠空间计算进行判别主要依靠空间计算进行判别 对象范围索引对象范围索引A查询窗口查询窗口BCEFD基于实体范围的空间数据检索基于实体范围的空间数据检索格网索引格网索引 格网型空间索引的基本思想是将研究区域用横竖线条划分格网型空间索引的基本思想是将研究区域用横竖线条划分大小相等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实

44、大小相等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实体体 将覆盖整个研究区的范围按照一定的规则划分成大小相等将覆盖整个研究区的范围按照一定的规则划分成大小相等的格网，记录每个格网内所包含的空间实体，为了便于建的格网，记录每个格网内所包含的空间实体，为了便于建立空间索引的线性表，将每个格网按立空间索引的线性表，将每个格网按Morton码或称码或称Peano码进行编码，建立码进行编码，建立Peano码与空间实体的关系，该码与空间实体的关系，该关系表就成为格网索引文件关系表就成为格网索引文件 按格网法对空间数据进行索引时，所划分的格网数不能太按格网法对空间数据进行索引时，所划分的格网数不能太多，否则索

45、引表本身太大不利于数据的索引和检索多，否则索引表本身太大不利于数据的索引和检索 ABCGFD212123232929313153535555616163632020222228283030525254546060626217171919252527274949515157575959161618182424262648485050565658585 57 71313151537373939454547474 46 61212141436363838444446461 13 39 9111133333535414143430 02 28 810103232343440404242Peano码码实

46、体实体7B14F15F25A26F32D33D35D,G37F38D39F48F50F54C55C60C实体实体Peano码码A25-25B7-7C54-55C60-60D32-33D35-35D38-38F14-15F26-26F37-37F39-39F48-48F50-50G35-35基于基于Peano码的格网法空间索引码的格网法空间索引空间索引表空间索引表实体索引表实体索引表四叉树空间索引四叉树空间索引 四叉树作为一种有效的数据结构，不仅可以用来四叉树作为一种有效的数据结构，不仅可以用来对栅格数据进行组织，它还可用于建立空间数据对栅格数据进行组织，它还可用于建立空间数据的索引的索引 在建

47、立四叉树索引时，根据所有空间对象覆盖的在建立四叉树索引时，根据所有空间对象覆盖的范围，进行四叉树分割，使每个子块中包含单个范围，进行四叉树分割，使每个子块中包含单个实体，然后根据包含每个实体的子块层数或子块实体，然后根据包含每个实体的子块层数或子块大小，建立相应的索引大小，建立相应的索引 在四叉树索引中，大区域空间实体更靠近树的根在四叉树索引中，大区域空间实体更靠近树的根部，小实体位于叶端，以不同的分辨率来描述不部，小实体位于叶端，以不同的分辨率来描述不同实体的可检索性。同实体的可检索性。四叉树空间索引四叉树空间索引 线性四叉树采用十进制线性四叉树采用十进制Morton码或码或Peano码来表

48、码来表示四叉树的大小和层数示四叉树的大小和层数 用线性四叉树组织的空间索引用线性四叉树组织的空间索引57E1315GB46121413028AFDCpeano码码边长边长实体实体04E02D11A41F82C151B、GR树和树和R+树空间索引树空间索引 R树和树和R+树利用空间实体的外接矩形来建立空间索引树利用空间实体的外接矩形来建立空间索引 R树空间索引不仅利用单个实体的外接矩形，还将空间位树空间索引不仅利用单个实体的外接矩形，还将空间位置相近的实体的外接矩形重新组织为一个更大的虚拟矩形置相近的实体的外接矩形重新组织为一个更大的虚拟矩形 虚拟矩形的条件虚拟矩形的条件 虚拟矩形方向与坐标方位

49、轴一致虚拟矩形方向与坐标方位轴一致 包含尽可能多的空间实体包含尽可能多的空间实体 矩形间的重叠率尽可能少矩形间的重叠率尽可能少 允许在每个矩形内再划分小矩形允许在每个矩形内再划分小矩形 对虚拟矩形建立空间索引，它含有指向所包围的空间实体对虚拟矩形建立空间索引，它含有指向所包围的空间实体的指针的指针 R树和树和R+树空间索引树空间索引 R树空间索引是按包含实体的矩形来确定的，树树空间索引是按包含实体的矩形来确定的，树的层次表达了分辨率信息，每个实体与的层次表达了分辨率信息，每个实体与R树的结树的结点相联系点相联系 矩形的数据结构为：矩形的数据结构为： RECT（Rectangle-ID，Type

50、，Min-X，Min-Y，Max-X，Max-Y） 虚拟矩形中不同层次矩形的相互关系：虚拟矩形中不同层次矩形的相互关系： PS（上层虚拟矩形标识符，下层虚拟矩形标识符）（上层虚拟矩形标识符，下层虚拟矩形标识符）FEGDABKHJIMNLC（a）二层不重叠矩形）二层不重叠矩形ABCDEFGHI IJKLMN（b）层状结构）层状结构R树结构示意图树结构示意图 R树和树和R+树空间索引树空间索引 在构造在构造R树时，虚拟矩形之间尽量不要相互重叠，一个空树时，虚拟矩形之间尽量不要相互重叠，一个空间实体通常仅被一个同级虚拟矩形所包围。但由于空间对间实体通常仅被一个同级虚拟矩形所包围。但由于空间对象的复杂

51、性，实体的外接矩形通常是相互重叠的象的复杂性，实体的外接矩形通常是相互重叠的 R+树是对树是对R树索引的一种改进，它允许虚拟矩形相互重叠，树索引的一种改进，它允许虚拟矩形相互重叠，并分割下层虚拟矩形，允许一个空间实体被多个虚拟矩形并分割下层虚拟矩形，允许一个空间实体被多个虚拟矩形所包围。在构造虚拟矩形时，尽量保持每个虚拟矩形包含所包围。在构造虚拟矩形时，尽量保持每个虚拟矩形包含相同个数的下层虚拟矩形或实体外接矩形，保证任一实体相同个数的下层虚拟矩形或实体外接矩形，保证任一实体具有相同的检索时间具有相同的检索时间 R+树的数据结构与树的数据结构与R树的相同，对于被分割的下层虚拟矩树的相同，对于被分割的下层虚拟矩形或实体外接矩形，增加关系表达：形或实体外接矩形，增加关系表达： DECOMP（原矩形标识符，分割后矩形（原矩形标识符，分割后矩形1的标识符，分割后矩形的标识符，分割后矩形2的标识符）的标识符） R+树结构示意图树结构示意图 空间数据库查询语言空间数