第四讲空间数据组织与管理

1、1图形数字1 1、现实世界的认知过程、现实世界的认知过程一、空间认知模型一、空间认知模型现实世界现实世界数字世界数字世界观察、抽象综合取舍定义、编码模型化概念世界概念世界以实体表达空间认知三层模型空间认知三层模型空间概念模型空间概念模型空间逻辑模型空间逻辑模型物理模型物理模型现实世界矢量数据模型栅格数据模型矢-栅一体化数据模型层次模型网络模型关系模型面向对象模型物理表示组织空间数据存取关于实体和实体间联系的关于实体和实体间联系的抽象概念集。抽象概念集。表达概念模型中数据实体表达概念模型中数据实体（或记录）及其间的关系。（或记录）及其间的关系。描述数据在计算机中描述数据在计算机中的物理组织、存储

2、路的物理组织、存储路径和数据库结构。径和数据库结构。空间数据转化过程空间数据转化过程现现实实世世界界空空间间数数据据数数据据模模型型数数据据结结构构空空间间数数据据库库 y-axisx-axis数据组织数据组织5第四讲第四讲 空间数据组织和管理空间数据组织和管理第一节第一节 概述概述第二节第二节 空间数据组织空间数据组织第三节第三节 空间数据库空间数据库空间实体（地理实体）的概念空间实体（地理实体）的概念 指自然界现象和社会经济事件中指自然界现象和社会经济事件中，它是一个，它是一个概概念。是一种在现实世界中不能再划分念。是一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。为同类现象的现象。 如：城市

3、、湖泊、道路，甚至是如：城市、湖泊、道路，甚至是某种现象的度量结果，如高温区，干某种现象的度量结果，如高温区，干旱区等。旱区等。空间实体（地理实体）的概念空间实体（地理实体）的概念 地理实体类别及实体内容的确定是从地理实体类别及实体内容的确定是从出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，

4、不能作为一个空间实体，应以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GISGIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。念。 定义：用来表示空间实体的位置、形状、定义：用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，大小及其分布特征诸多方面信息的数据，具定位、定性、时间和空间关系等特征。具定位、定性、时间和空间关系等特征。 定位：在已知坐标系里目标具有唯一的空间定位：在已知坐标系里目标具有唯一的空间位置；位置； 定性：空间目标的自然属性定性：空间目标的自

5、然属性 时间：空间目标随时间的变换而变化时间：空间目标随时间的变换而变化 空间关系：拓扑关系空间关系：拓扑关系 空间数据用空间数据用点、线、面、体点、线、面、体表示人们赖以表示人们赖以生存的生存的自然世界自然世界空间数据 GIS中的空间数据：中的空间数据： 地理数据：描述地理数据：描述地理空间地理空间的数据的数据 GIS地理空间：地理空间： 绝对空间：具有属性描述的绝对空间：具有属性描述的空间位置空间位置的集合的集合，由一系列不同位置的，由一系列不同位置的空间坐标值空间坐标值组成；组成； 相对空间：具有空间属性特征的相对空间：具有空间属性特征的实体实体的集合的集合，由不同实体之间的，由不同实体

6、之间的空间关系空间关系构成；构成；空间数据模型及数据结构空间数据模型及数据结构 模型：模型：模型是对现实世界的简化表达，是将系统的各模型是对现实世界的简化表达，是将系统的各个要素通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明个要素通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映像。的映像。一幅地图是一个一幅地图是一个符号模型符号模型，因为它是通过制图学家，因为它是通过制图学家处理后得到现实世界的简化描述；存储数字地图的计算机文处理后得到现实世界的简化描述；存储数字地图的计算机文件也是一种件也是一种符号模型符号模型，它以数字代码来表现图形符号。，它以数字代码来表现图形符号。 数据建模：数据建模

7、：把现实世界的数据组织为有用且能反映真把现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。数据建模过程分为三个步骤：实信息的数据集的过程。数据建模过程分为三个步骤： 选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织； 选择一种数据结构来表达该数据模型；选择一种数据结构来表达该数据模型； 选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。GIS空间数据模型 一、数据模型 数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作。 是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式

8、表示，以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系。 选择与建立数据模型的目的是用最佳的方式表达实体对象及其相互关系，并能以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口 数据模型的三要素：数据结构、数据操作和数据的约束条件 数据结构：指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构 数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑模型。 两者之间的关系：混合的交叉关系，并不一一对应。 概念：概念：空间数据模型是关于现实世界空间数据模型是关于现实世界中空间实体中空间实体及其及其相互间联系相互间联系的概念，它为描述空间数据的组的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模

9、式提供着基本方法。织和设计空间数据库模式提供着基本方法。 类型：类型：基于对象（要素）（基于对象（要素）（Feature）的模型）的模型场（场（Field）模型）模型网络（网络（Network）模型）模型空间数据模型空间数据模型 1. 1. 场模型：场模型：空间内连续分布，如污染物的集中程空间内连续分布，如污染物的集中程度、地表温度、土壤湿度。度、地表温度、土壤湿度。 空间结构特征和属性域空间结构特征和属性域 连续的、可微的、离散的连续的、可微的、离散的 各向同性和各向异性各向同性和各向异性 空间自相关空间自相关在各向同性与各向异性场中的旅行时间面 强空间正负自相关模式 空间数据模型空间数据模

10、型 1.1 栅格数据模型栅格数据模型 栅格数据模型是栅格数据模型是基于连续铺盖的基于连续铺盖的，它是用二维铺，它是用二维铺盖或划分覆盖整盖或划分覆盖整个连续空间；铺个连续空间；铺盖可以分为规则盖可以分为规则的和不规则的，的和不规则的，后者可当做拓扑后者可当做拓扑多边形处理多边形处理。三角形、方格和六角形划分 空间数据模型空间数据模型栅格数据模型 矢量数据模型 2. 要素模型 基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其他现象之间的关系的方式来研究。 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象或实体。一个实体必须符合三个条件： 可被识别 重要（与问题相关） 可被描述（有特征）

11、对于基于要素的模型，采用面向对象的描述是合适的。空间数据模型空间数据模型空间对象二维对象一维对象零维对象点延伸对象域单位对象面域对象面对象环弧简单弧简单环欧氏平面的空间对象类型空间数据模型空间数据模型选择要素选择一个位置它在哪里那里怎么样数据现实世界要素模型场模型要素模型和场模型的比较空间数据模型空间数据模型2.1 矢量数据模型空间数据模型空间数据模型栅格数据模型 矢量数据模型 1、定义：、定义： 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。概括性，复杂性，相对意义的概念。2 2、理解、

12、理解： 地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，中国海洋大学就是一个点，这个点不能再分割，地图上由于比例尺很小，中国海洋大学就是一个点，这个点不能再分割，可以把中国海洋大学定为一个空间实体，而在大比例尺的青岛市地图上，可以把中国海洋大学定为一个空间实体，而在大比例尺的青岛市地图上，中国海洋大学的许多楼房，道路都要表达出来，所以中国海洋大学必须再中国海洋大学的许多楼房，道路都要表达出来，所以中国海洋大学必须再分割，不能作为一个空间实体，应将楼房，道路等作为研究的地理实体，分割，不能作为一个空间实

13、体，应将楼房，道路等作为研究的地理实体，由此可见，由此可见，GISGIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。地理实体地理实体GIS处理的对象处理的对象 将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。 栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。每一个单元格对应一个相应的地块。空间数据结构栅格数据 栅格数据单元格经常是栅格数据单元格经常是矩形矩形（主要是正方形）的，但并主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的

14、需要进行具不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。体设定，比如设置为三角形。 栅格数据的比例尺就是栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之栅格大小与地表相应单元大小之比比。 栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。空间数据结构栅格数据Real worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagons图形表示矢量模式 栅格模式 真实世界栅格模型和矢量模型 矢量方法：面向实体，物体愈复杂，描述愈困难，数据量亦随之增大，如线状要素愈弯曲，抽样点必须愈密

15、。 栅格方法：面向空间，物体的复杂程度不影响数据量的大小，也不增加描述上的困难。栅格模型和矢量模型 矢量方法：显式描述空间物体之间的关系，关系一旦被描述，运用起来就相当方便。 栅格方法：隐式描述空间物体之间的关系 “零”描述：没有记录物体间的关系； “全”描述：空间物体的一切关系都照实复写了。 数据模型：是描述数据库的概念集合，是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示； 数据模型通过一定的数据结构来实现，数据结构是数据模型在特定的数据库中的存储模型。 数据模型是数据表达的概念模型 数据结构是数据表达的物理实现空间数据模型空间数据模型 定义：GIS中空间数据的组织方式 反映空间实体及其之

16、间的联系 空间数据组织和空间数据库模式设计的基础 对空间数据模型认识和理解的正确决定着GIS空间数据管理系统研制或应用空间数据库设计的成败 空间数据模型发展影响着新一代GIS系统的发展空间数据模型 通用数据模型：无法设计 由于地理空间的复杂性，一种数据模型无法反映现实世界的所有方面； 在地理信息系统中存在多种数据模型并存的现象。 GIS数据模型的三个层次： 概念数据模型 逻辑数据模型 物理数据模型 概念数据模型：关于实体及实体间联系的抽象概念集。 概念数据模型着重于获得对客观现实一个正确的认识，是面对用户、面向现实世界的数据模型。 按用户的观点对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象

17、。 GIS空间数据模型的概念模型： 考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图 基本任务：确定感兴趣的现象和基本特性，描述实体间的相互联系，确定空间数据库的信息内容 基于平面图的点、线、面数据模型 基于连续铺盖的栅格数据模型 逻辑数据模型：描述系统中数据的结构 逻辑数据模型：表达概念数据模型中数据实体(或记录)及其间的关系。 空间数据的逻辑数据模型：根据概念数据模型确定的空间数据库信息内容，具体地表达数据项、记录等之间的关系，可以有若干不同的实现方法 物理数据模型：描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和数据库结构 逻辑数据模型转换为物理数据模型： 逻辑数据模型不涉及最低层的物

18、理实现细节，但计算机处理的是二进制数据 涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。就是指空间数据的编排方式和组织关就是指空间数据的编排方式和组织关系，是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的系，是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构。换句话说，是指空间数据以什么形式在计逻辑结构。换句话说，是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理。算机中存储和处理。是空间数据结构的实现，目的是将不是空间数据结构的实现，目的是将不同的空间实体按一定的数据结构转换为适用于计算机同的空间实体按一定的数据结构转换为适用于计算机存储和处理的过程，不同的对象，其数据结构相差很存储和处理的过

19、程，不同的对象，其数据结构相差很大，同一对象，也可以用许多方式来组织数据，按不大，同一对象，也可以用许多方式来组织数据，按不同的数据结构去处理，会得到截然不同的内容。同的数据结构去处理，会得到截然不同的内容。 GIS中的信息模型： 基于对象的模型： 强调离散对象，根据它们的边界线以及组成或者与它们相关的其它对象，可详细地描述离散对象 网络模型： 表示特殊对象之间的交互，如水或者交通流 场模型： 表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据 对数据选择数据模型时：对数据选择数据模型时： 不同测量方式的数据可被看作场或被看作对象不同测量方式的数据可被看作场或被看作对象 如卫星影像中现象的值是由区

20、域内某一个位置如卫星影像中现象的值是由区域内某一个位置提供的，如作物类型或者森林类型可以采用一提供的，如作物类型或者森林类型可以采用一个基于场的观点；个基于场的观点； 如数据是以测量区域边界线的方式给出，而且如数据是以测量区域边界线的方式给出，而且区域内部被看成是一致的，就可以采用一个基区域内部被看成是一致的，就可以采用一个基于要素的观点；于要素的观点； 基于场的模型可转换成基于要素的模型基于场的模型可转换成基于要素的模型 基于场和基于对象的模型是概念模型的子模型 基于场的空间概念模型在计算机中的实现栅格数据模型 基于对象的空间数据模型在计算机中的实现矢量数据模型 其他数据库概念模型： E-R

21、模型(实体关系模型) UML(统一建模语言)模型等场模型 场模型核心思想 把地理空间事物和现象视为连续的变量 空气中污染物的集中程度 地表的温度 二维场：在二维空间中任何点上都有一个表达这一现象的值； 三维场：在三维空间中任何点上都有一个表达这一现象的值； 场模型的数学公式： z：s z (s ) z为可度量的函数 s表示空间中的位置 公式表示从空间域(甚至包括时间坐标)到某个值域的映射 场经常被视为由一系列等值线组成，一个等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。 场模型特征 （1）空间结构特征和属性域 “空间”：指可以进行长度和角度测量的欧几里德空间。空间结构可以是规则的或不规则的

22、，但空间结构的分辨率和位置误差则十分重要，它们应当与空间结构设计所支持的数据类型和分析相适应。 属性域的数值： 包含以下几种类型：名称、序数、间隔和比率。 属性域特征是支持空值，如果值未知或不确定则赋予空值。 （2）连续的、可微的、离散的 如果空间域函数连续的话，空间域也就是连续的，即随着空间位置的微小变化，其属性值也将发生微小变化，不会出现象数字高程模型中的悬崖那样的突变值。只有在空间结构和属性域中恰当地定义了“微小变化”，“连续”的意义才确切。 当空间结构是二维（或更多维）时，坡度，或者称为变化率，不仅取决于特殊的位置，而且取决于位置所在区域的方向分布。 连续与可微分两个概念之间有逻辑关系

23、，每个可微函数一定是连续的，但连续函数不一定可微。某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的可微性 （3）各向同性和各向异性 空间场内部的各种性质是否随方向变化而发生变化 各向同性场：场中的所有性质都与方向无关 如旅行时间，假如从某一个点旅行到另一个点所耗时间只与这两点之间的欧氏几何距离成正比，则从一个固定点出发，旅行一定时间所能到达的点必然是一个等时圆。 各向异性场： 如果某一点处有一条高速通道，则利用与不利用高速通道所产生的旅行时间是不同的圆：等时线双曲线：利用与不利用高速通道的分界线右图中的旅行时间与目标点与起点的方位有关，场称为各向异性场。 （4）空间自相关 空间场中的数值聚集程度的一种

24、量度。 距离近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性 正空间自相关：空间场中的类似的数值有聚集的倾向 负空间自相关：空间场中类似的属性值在空间上有相互排斥的倾向 空间自相关描述某一位置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。 场模型优点： 场模型能有效地表示地理现象的空间非匀质性 场模型表达地理目标及其相应的拓扑表达三要素(内部、边界和外部)结构 如土地覆盖这类模糊地理现象 对空间关系的描述能有效的顾及地理目标的空间属性变化要素模型 地理要素：通过地理实体定义 地理实体是真实世界中不能再被细分为同一类现象的地理现象 地理要素的内涵：具有相似属性和行为的真实地理实体的公共属性集合 地理

25、要素的外延：所有相似地理实体的集合。 基于地理要素的GIS数据模型是较高抽象层次上的模型 面向空间的矢量及栅格数据模型只关注空间特征的表达， 基于地理要素的数据组织方法与传统GIS数据管理方式处于同一层次 适于地理信息应用系统的开发 基于要素的模型只对真实地理实体的属性及关系感兴趣 欧氏空间的地物要素 欧氏空间：地理现象模型建立的基础是嵌入在一个坐标空间中，这种坐标空间根据常用的公式可以测量点之间的距离及方向，这个带坐标的空间模型叫做欧氏空间 欧式空间把空间特性转换成实数的元组特性，两维的模型叫做欧氏平面。 欧氏空间常用参照系统：笛卡尔坐标系 欧氏空间其它坐标系统：极坐标系 将地理要素嵌入到欧

26、氏空间中，形成了三类地物要素对象： 点对象 线对象 多边形对象 要素模型的基本概念： 基于要素的空间模型强调个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。 任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象，且假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。 要素由不同的对象所组成。 土地和财产的拥有者记录：采用基于要素的视点 每一个土地块和每一个建筑物必须是不同的，而且必须是唯一标识的并且可以单个测量。 基于要素的观点适合于已经组织好的边界现象 人工地物，例如，建筑物、道路、设施和管理区域 一些自然现象，如湖、河、岛及森林，如被看成为离散的现象，则表现在基于要素的模型中 基于要素的空间信

27、息模型把信息空间分解为对象或实体 一个实体必须符合三个条件： 可被识别 重要(与问题相关) 可被描述(有特征) 实体的特征 静态属性（如城市名） 动态的行为特征 结构特征 基于要素的模型把信息空间看作许多对象（城市、集镇、村庄、区）的集合，而这些对象又具有自己的属性（如人口密度、质心和边界等）。 基于要素的模型中实体可采用多种维度来定义属性，包括： 空间维 时间维 图形维 文本/数字维 基于要素模型的空间对象 空间对象存在于“空间”之中嵌入式空间，空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构 常用嵌入式空间： （1）欧氏空间：允许在对象之间采用距离和方位的量度，欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示

28、； 常用嵌入式空间： （2）量度空间：允许在对象之间采用距离量度（但不一定有方向）； （3）拓扑空间：允许在对象之间进行拓扑关系的描述（不一定有距离和方向）； （4）面向集合的空间：采用一般的基于集合的关系，如包含、合并及相交等。 连续的二维欧氏平面上的空间对象类型构成了一种对象集成等级图：空 间 对 象延 伸 对 象零 维 对 象 点二 维 对 象一 维 对 象环弧简 单 环简 单 弧面 对 象面 域 对 象域 单 位 对 象 最高抽象层次的对象：“空间对象”类，派生为零维的点对象和延伸对象，延伸对象又可以派生为一维和二维的对象类。 一维对象的两个子类：弧和环，如果没有相交，则称为简单弧和简

29、单环 在二维空间对象类中，连通的面对象称为面域对象，没有“洞”的简单面域对象称为域单位对象。 欧氏空间的平面因连续而不可计算，必须离散化后才适合于计算。 图：部分离散一维对象的继承等级关系 对象行为：由一些操作定义。 这些操作用于一个或多个对象（运算对象），并产生一个新的对象（结果）。 用于空间对象的空间操作： 静态的：静态操作不会导致运算对象发生本质的改变 动态的：动态操作会改变（甚至生成或删除）一个或多个运算对象。 面向对象方法和基于要素的空间数据模型面向对象方法和基于要素的空间数据模型 在概念上很相似，但两者之间仍然有着明显的差在概念上很相似，但两者之间仍然有着明显的差别别 实现基于要素

30、的模型不一定要求运用面向对象的实现基于要素的模型不一定要求运用面向对象的方法方法 面向对象方法既可以作为描述场的空间模型的框面向对象方法既可以作为描述场的空间模型的框架，也可作为描述基于要素的空间模型的框架。架，也可作为描述基于要素的空间模型的框架。 基于要素的模型，采用面向对象的描述是合基于要素的模型，采用面向对象的描述是合适的；而对于基于场的模型同样可以用面向适的；而对于基于场的模型同样可以用面向对象方法来构建。对象方法来构建。 场和对象场和对象可以在多种水平上可以在多种水平上共存共存，对于，对于空间数据建模来说，基于场的方法和基空间数据建模来说，基于场的方法和基于要素的方法并不互相排斥。

31、于要素的方法并不互相排斥。 基于场的模型和基于要素的模型各有长基于场的模型和基于要素的模型各有长处，应该恰当地综合运用这两种方法来处，应该恰当地综合运用这两种方法来建模。建模。 要素模型和场模型比较 现实世界 选择要素 选择一个位置 要素模型 场模型 它在哪里 那里怎么样 数据 5.1 空空间数据间数据的的组织组织方式方式数据分层式(Data Layer)空间分区式(Data Tiling)实体式(Entity Based)面向对象式(Object Oriented) 依照不同应用目的及数据类型，将资料以适合的组织方式储存，并依某种连接方式架构成一个适合于存取及管理的结构体。65一、数据分层一

32、、数据分层式式(Data Layer) 将同区域的数据分成不同的类型或层级储存，例如依不同地类、专题、年代等，各储存类别称作“图层” ； 传统纸质地图通常依不同的专题，如人口分布图、地质图、地形图等，来表现不同的人文活动或是地表现象，这些图称作专题图 (Thematic Map) ； 目前大多GIS数字图则以数据项目分层，称作数据层(Data Layer)，但也常被称作图层或专题图层。66 层：空间数据处理的一个工作单元，不同的系统工作处理层方式不同； 逻辑层：当一个层所包含的内容太多（如管线层），为了方便于显示、制图和查询，对其中的部分要素定义逻辑层，逻辑层不改变存储关系，仅建立对照表，每个

33、逻辑层包含了哪些指向地物类的指针；水系水库河流湖泊水井逻辑层67 按专题分层按专题分层 每层对应一种专题68 按专题分层 每层对应一类专题要素69 按时间分层 每层对应一个时间段。2000年1970年1980年1990年1985年70 按垂直高度分层 每层对应一个特定的高度。井下四水平井下四水平地面地面井下一水平井下一水平井下二水平井下二水平井下三水平井下三水平71 分层方式优缺点： 这种方式是目前颇为普遍的数据组织方法，方便使用者选择合适的数据，适合与栅格或矢量数据数据结构，目前大多数GIS软件采用这一方法。 其缺点是层与层之间的数据必须经过层叠置(Overlay)处理才能关联在一起，在叠置

34、处理中，对栅格数据常需要大量存储空間来完成操作，而矢量数据则需大量的计算处理。 同一图层內的图形数据的空间关系较为简单并易于处理，但不同图层之间的空间关系难以处理。72二、数据二、数据分分区区式式(Data Tiling)将大规模区域的数据划分为若干规则或不规则的小区域（工作区）来存储。传统地图也通常采用这一方法来分区记录，它的划分称作图幅 (Map sheet) 。为了不使数据量太大而影响数据读取的效率，也常以分区方式來存储GIS数据。73数据分区式示意图74 按图幅组织BR012-5-2BS012-5-1BS012-5-2BR012-5-4BS012-5-3BS012-5-4BR011-5

35、-2BS011-5-2BS011-5-275图幅内空间数据的组织图幅内空间数据的组织工工 作作 区区行政边界行政边界道道 路路水水 系系居民地居民地土地覆盖土地覆盖土土 壤壤工作区：一个或多个图幅覆盖的范围76 优缺点： 分区式与分层式可同时采用，并不冲突。 分区式也是目前大部份商业软件所采用的方法，适合与栅格和矢量数据结构，在数据量大的系统中，分区方法可提高数据存取的效率。 图幅或区块间的衔接问题是分区法最大的困扰，尤其在空间数据查询、分析操作时更是这样。77三、实体方三、实体方式式(Entity Based)以人所认知的实体(Entity)或对象(Object)为组织单元；GIS之精神所在

36、；目前大多GIS都以点、线、面要素为单元，代表二维空间的实体，例如以点代表城市、学校或单位等；以线代表道路、河流、或电力线等；以面代表行政区域、湖泊或地籍宗地等。78点号点号xyP1183.2256.7P2112.098.3P3211.3356.7P4115.4241.3P4P3P1P1点号点号名称名称校校长长学生人数学生人数校校园面积园面积(公顷公顷)教师人数教师人数P1宁海中学宁海中学张张三三26722.12123P2二十九中二十九中李四李四61571.18254P3东南大学附中东南大学附中王五王五21653.55102P4南师附中南师附中林六林六18312.6395空空间数据间数据属性数

37、据属性数据79实体方式的优缺点： 该组织法符合人对现实世界空间现象的认知，同时便于与空间关系以及属性数据的联系，而形成所谓的实体关系(Entity-Relationship)数据组织模式，因此适合于空间数据的查询分析和空间关系的推导。 可配合分区及分层的方式来建立效率高并符合GIS操作的数据组织方式。 由于人对地物或现象的认知或推理会随数据或应用的目的而改变，因此并无固定或标准的程序来把数据以实体的方式组织。80四、面向对象式四、面向对象式(Object Oriented） 除了将数据对象实体化以外，并将相同性质或相关联的对象(Object)的数据及处理方法(Method)封装在类(Class

38、)中，而这些对象和类应符合O-O的原则，如：封装(Encapsulation)聚合(Classes)继承(Inheritance)多态性(Polymorphism)81对象2对象1Oid属性，方法object1object282优缺点： 数据的组织最为严密，而且更符合人对实际空间现象的认知，可加强计算机以拟人化方式来完成空间查询、分析、甚至推理的功能，是未来智慧型GIS追求的目标。 虽然面向对象的组织形式可能让使用者感觉更舒适，但其数据组织的设计及建立却十分复杂，在GIS的维护和管理上更需要依赖专业人才。 目前尚无面向对象式数据组织的商用GIS开发系统。83五、属性数据的组织五、属性数据的组织

39、虽然属性数据可由RDMS管理，但不同GIS的实现策略不同:ARC/INFO：属性存储在coverage目录之下，在工作区目录下，通常有一个记录属性数据文件信息包括目录路径的文件，而且，一个Coverage仅有一个AAT或PAT表，还支持按每个地物类建立扩展属性表，通过PAT或AAT连接；MGE：一个地物类对应于一个属性表文件，而且所有属性文件都在工程目录下，不要求每个地物类都具有属性；Geostar：一个地物类有一个属性表，或多个地物类公用一个属性表。一个属性文件包含了工程内所有同类空间对象的属性；841、数据库的定义数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的

40、相关联的数据集合。建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。计算机对数据的组织管理经过了三个阶段 ：程序管理阶段 、文件管理阶段 、数据库管理阶段 第三节 空间数据库2、数据库中数据组织方式 数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。文件和数据库。 1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段

41、等。项、字段等。 2、记录：由若干相关联的数据项组成。、记录：由若干相关联的数据项组成。 3、文件：是一给定类型的、文件：是一给定类型的(逻辑逻辑)记录的全部具体值的集合。记录的全部具体值的集合。 4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。文件之间存在某种联系，不能孤立存在。 数据库特点1. 数据独立于

42、应用程序而集中管理；2. 数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系。3、数据间的逻辑联系、数据间的逻辑联系 数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。 1、一对一的联系(1：1) （学号学生）2、一对多的联系(1：N) （专业、班级学生）3、多对多的联系(M：N) （课程学生）A BABA BABA BAB4.常规数据模型常规数据模型 数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。 数据模型是数据库系统中实体与实体之间的联系方式，是数据模型是数据库系统中实体与实体之间的联系方式，是衡量数据库能力强弱的主要形式之一。衡量数据库能力强弱的主要形式之一。 每一种数据模型都以不同的数

43、据抽象与表示能力来反映客每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。观事物，有其不同的处理数据联系的方式。 数据模型分类： 层次模型 网络模型 关系模型其中应用最广泛的是关系模型。 (1) 层次数据库模型 它的特点是将数据组织成它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。一对多关系的结构。 层次结构采用关键字来访层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部问其中每一层次的每一部分。分。 层次数据库结构特别适用层次数据库结构特别适用于土地类型分类分级、土于土地类型分类分级、土壤分类、部门机构等分级壤分类、部门机构等分级数据的组织。数据的组织。 123456

44、abcdefgMMabcdefg1223344134355664c层次数据库模型特点层次数据库模型特点优点：0存取方便且速度快0结构清晰，容易理解0数据修改和数据库扩展容易实现0检索关键属性十分方便缺陷：0结构呆板，缺乏灵活性0同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）0不适合于拓扑空间数据的组织（2）网络数据库模型）网络数据库模型网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 。系名土管系教师数学生数研究生系名GIS系教师数49学生数257研究生71学校名称理工大系名测工系教师数52学生数300研究生70系名教师数学生数研究生系名教师数学生数学号002

45、312姓名张三年级3籍贯广东系名教师数学生数研究生系名教师数学生数教师号66姓名XXX年龄45职称教授系名教师数学生数研究生系名教师数学生数课程号A01课程名GIS周学时4学分5系名教师数系名学号002312课程号A01网络数据库模型特点网络数据库模型特点优点：优点：能明确而方便地表示数据间的复杂关系能明确而方便地表示数据间的复杂关系数据冗余小数据冗余小缺陷：缺陷：网状结构的复杂，增加了用户查询和定网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。位的困难。 需要存储数据间联系的指针，使得数据需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大量增大数据的修改不方便（指针必须修改）数据的修改不方便（指针必须修改

46、）（3）关系数据库模型）关系数据库模型 关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。123456abcdefgM关系模型对数据的组织地图表123456abcdefgMM地图表关系模型对数据的组织多边形表123456abcdefgM acbecfgd多边形表关系模型对数据的组织线表123456abcdefgMa12gb25f463e356d41c34线表关系模型对数据的组织点坐标表点坐标表1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6点123456

47、abcdefgM关系数据库模型特点关系数据库模型特点优点： 结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求 能搜索、组合和比较不同类型的数据 增加和删除数据非常方便缺陷： 数据库大时，查找满足特定关系的数据费时 ； 对空间关系无法满足。 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 1.层次数据模型用于GIS地理数据库的局限性 1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余 2）对任何对象的查询都必须从根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询 3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点

48、均被删除； 4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径； 5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。第2 节 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 2.网状数据模型用于GIS地理数据库的局限性 1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据 的逻辑结构，知道自己所处的位置； 2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题 3）不直接支持对于层次结构的表达 4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。第2 节 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 3.关系数据模型用于GIS地

49、理数据库的局限性 在GIS分析中，需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据，要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。第2 节 GIS空间数据模型空间 数据库属性为火车站的点所有属性为汽车站的点空间 计算距离最近的汽车站检索检索GIS分析找离火车站最近的汽车站？ 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性 对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为： 1）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作 复杂地理对象的能力较弱 2）描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体

50、进行不自然的分 解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理 3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系 统开销较大的联接操作，运行效率不够高。第2 节 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性 对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为： 4）一般RDBMS难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系 5）一般RDBMS难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加基本操作。 6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能 7）一般RDBMS难以支持复杂

51、的地理信息 8）一般RDBMS难以维护系统数据的完整性。第2 节 GIS空间数据模型第二节第二节 空间数据组织管理方法：空间数据组织管理方法： 空间数据库空间数据库一、空间数据库概念及特点一、空间数据库概念及特点0空间数据库q定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合q特点：数据量特别大属性数据和空间数据联合管理数据应用范围广泛0空间数据库的数据特征q空间特征q非结构化特征q空间关系特征q分类编码特征q海量数据特征传统数据库与空间数据库的比较传统数据库与空间数据库的比较传统数据库空间数据库数据连续性/相关性不连续相关性小连续较强空间相关性实体类型/空间关系少简单固定多复杂且不固

52、定记录长度结构化等长非结构化不等长查询与操作文字、数字文字数字空间图形二、常用空间数据模型二、常用空间数据模型1. 基于文件的数据管理模型2.基于文件与关系式数据库的混合空间数据模型；3.全关系型空间数据模型(扩展模型)；4.对象关系式数据库的空间数据模型（统一数据模型）；5.面向对象的空间数据模型。1 1、基于文件的数据管理方式、基于文件的数据管理方式缺点：缺点：1 1）程序依赖于数据程序依赖于数据文件的文件的存储结构，数据文件修改存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。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，当多当多个程序共享一数据文件时，个程序共享一数据文件

53、时，文件的修改，需得到所有文件的修改，需得到所有应用的许可。应用的许可。不能达到真不能达到真正的共享，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应用软件空间及属性数据文件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 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开分开的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统动两个系统，甚至两个系统来回切换，不方便来回切换，不方便。2 2、基

54、于文件与关系数据库混合管理方式、基于文件与关系数据库混合管理方式几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发 GIS GIS 通过通过DBMSDBMS提供的高提供的高级编程语言级编程语言C C或或FortranFortran等接口，等接口，在在C C语言的环境语言的环境下，下，直接操纵直接操纵属性数据，查属性数据，查询属性数据库询属性数据库，并在并在GISGIS的用户的用户界面下，

55、显示界面下，显示查询结果。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软软件商件商只需开发只需开发GISGIS与与ODBCODBC的接口软件的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持，就可将属性数据与任何一个支持ODBCODBC的的RDBMSRDBMS连接。这样用户可在连接。这样用户可在一个界面一个界面下处理图形和属性数据。下处理图形和属性数据。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图形与属性结合的各自分开处理模式图

56、形与属性结合的各自分开处理模式文件与关系数据库混合管理方式弊端文件与关系数据库混合管理方式弊端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，中中间没有裂缝间没有裂缝。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。 即采用文件与即采用文件与RDBMSRDBMS的混合管理模式中的混合管理

57、模式中文件管文件管理系统的功能较弱理系统的功能较弱，特别是在，特别是在数据的安全性、数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的一致性、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恢复方面缺少基本的功能。因而因而GISGIS软件商需要软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMSDBMS。 属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，M

58、GE，SICARD、GENEMAP等。3 3、全关系型空间数据模型、全关系型空间数据模型属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理。空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快。属性间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作。GIS软件：System9，Small World、GeoView等。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）DBMS空间空间数据库数据库关系表关系表二进制块二进制块DBMS软件商在软件商在RDBMS中进行扩展，使之能中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空直接存储

59、和管理非结构化的空间数据间数据。原理原理是是在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。全关系型数据库的实现方式全关系型数据库的实现方式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空间和属性数空间和属性数据库据库特点：特点：GISGIS软件商在标准软件商在标准DBMSDBMS顶层开发一个顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。能容纳、管理空间数据的系统功能。用用RDBMS管理图形数据有管理图形数据有两种方式两种方式：a、基于关系模型的方

60、式基于关系模型的方式，图形数据按关系数据，图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一系列关系模型组织。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的读写效率比定长的属性字段段慢得多慢得多，特别涉及对象的，特别涉及对象的嵌套时，更慢嵌套时，更慢。关系模型组织图形数据关系模型组织图形数据P1P2多边形编号边号边长P1aP1bP1cP1d边号起结点号终结点号a17b