第四章 空间数据组织与管理

1、第四章 空间数据组织与管理4.1 文件组织与数据库1. 数据文件：文件系统中，数据按照其组织分为三个级别数据文件：文件系统中，数据按照其组织分为三个级别：u数据项：文件中存取数据的基本单位，用于描述物体的属性。u记录：由一个或多个数据项或数据项组组成，是关于一个实体的数据总和。u文件：大量性质相同的记录组成的集合。2.数据库管理系统（数据库管理系统（DBMS） 在文件系统基础上发展而来 位于用户和操作系统之间进行数据库存取和各种管理控制，对数据库所有操作通过DBMS进行。 优点：保持应用程序与数据之间的独立性。3.空间数据库系统空间数据库系统 空间数据库系统：空间数据库、计算机硬件系统、操作系

2、统、DBMS、空间DBMS、操作员等。操作员空间数据库管理系统数据库管理系统操作系统空间数据存储器4.2 空间数据的管理方式空间数据的管理方式 基于文件管理的方式 文件与关系数据库混合管理模式 全关系型空间数据库管理模式 对象关系的空间数据管理系统 面向对象数据库管理系统1.基于文件管理的方式 各个地理信息系统应用程序对应各自的空间和属性数据文件，当两个GIS应用程序需要的数据有相同部分时，可以提出来作为公共数据文件。2.文件与关系数据库混合管理模式 用文件系统管理几何图形数据，用商用关系数据库管理系统管理属性数据，它们之间的联系通过目标标识或者内部连接码进行连接。1)MapInfo的数据组织

3、2) Shape Shape文件保存数据中的空间特征信息，包括不具有拓扑关系的几何信息和属性信息u特征的几何信息存贮为一个由一组矢量坐标组成的Shape。u属性由dBASE（dBASE是一种通用的关系数据库）格式文件管理，每个属性记录与相关的Shape记录一一对应。u由于Shape文件不处理拓扑数据结构，因此有快速绘图和编辑能力等优点，其显著特点还在于所需的磁盘空间更少和更易于读写。Shape文件包括一个主文件、一个索引文件和一个dBASE表文件。 主文件是一个直接存取的变长记录的文件，其一条记录描述了一个用一系列点表示的Shape； 索引文件的每条记录存贮与之相应的主文件记录从文件头开始的偏

4、移量； dBASE文件的每条记录包含一个特征的属性，基于记录号的几何信息和属性信息一一对应，dBASE文件的记录必须与主文件的记录顺序一致。 Shape所有文件均使用“8.3”命名规则，主文件、索引文件和dBASE文件具有相同的前缀，其后缀分别为“.shp”、“.shx”和“.dbf”。例如： 主文件：counties.shp 索引文件：counties.shx dBASE文件：counties.dbfdBase IIIdBase III数据库文件数据库文件特定特定ShapeShape图形文件图形文件图形和属性图形和属性索引文件索引文件Shapefile和CAD图形的Catalog视图3)地理

5、相关模型(Coverage)u在Arc/Info 7.X及更早期的版本中使用；u是混合数据模型u强调空间要素的拓扑关系u几何与拓扑存储在二进制文件中，而与之相关的属性数据位于关系数据库中。3.全关系型空间数据库管理模式 全关系型空间数据库管理系统是指图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理。 用RDBMS管理图形数据有两种模式1、基于关系模型的方式图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一系列关系连接运算、费时。 2、将图形数据处理成二进制字段（如BLOB）的图形数据管理。目前大部分关系数据库管理系统都提供了二进制块的字段域，以适应管理多媒体数据或可变长文本字符。FIDDateEntity.

6、EnvelopeNumofptsBLOB4.对象关系的空间数据管理系统 在关系数据库中，除了使用二进制字段存储非结构化数据外，还可以对关系数据库进行扩展，即将复杂的数据类型作为对象放入关系数据库中,并提供索引机制和简单的操作。这种扩展后的数据库称为对象关系数据库。这也是目前较为流行的一种扩展方式。 在传统关系数据库管理系统之上进行扩展，使之能够同时管理矢量图形数据和属性数据。扩展的方式有两种：p一种是GIS软件商在传统关系数据库管理系统之上进行扩展，外加一个空间数据管理引擎，如ERSI公司的ArcSDE、MapInfo公司的Spatialware等。 2）Geodatabaseuu ArcGI

7、S的核心数据模型的核心数据模型面向对象面向对象表达和管理表达和管理GIS数据数据属性表u 地理数据统一存储的仓库地理数据统一存储的仓库要素类、栅格数据要素类、栅格数据关系类、拓扑、网络关系类、拓扑、网络支持不同平台支持不同平台可伸缩性可伸缩性分享地理价值GeodatabaseGeodatabase的优势的优势（1 1）具有）具有面向对象的特点面向对象的特点多态性多态性不同的存储方式、相同的要素操作方式不同的存储方式、相同的要素操作方式继承性继承性子类（子类（SubTypeSubType）封装性封装性标准化的编程接口标准化的编程接口（2 2）空间数据）空间数据与属性数据的统一存储与属性数据的统一

8、存储要素类与要素要素类与要素一个实体一个实体 一个要素一个要素 一条记录一条记录（3）支持不同数据格式间的转换ShapefileCoverageCAD Raster（4） 可移植Geodatabase XML 导入/导出（5 5）数据输入）数据输入和编辑更加准确和编辑更加准确丰富的编辑工具丰富的编辑工具子类型、有效性规则的运用子类型、有效性规则的运用允许多用户并发编辑允许多用户并发编辑（6 6） 可伸缩的存储解决方案可伸缩的存储解决方案个人（个人（PersonalPersonal）地理数据库）地理数据库文件（文件（FileFile）地理数据库）地理数据库ArcSDEArcSDE地理数据库地理数

9、据库Geodatabase的三种类型在文件系统中以文件夹的形式表现 以二进制文件格式存储 每个表存储上限为1TB ArcSDE地理数据库支持多用户并发编辑存储于RDBMS中伸缩性u个人地理数据库(.mdb)FOR MS ACCESS存储上限为2GBu文件地理数据库(.gdb)3种类型的Geodatabase比较 另一种是数据库管理系统的软件商自己在关系数据库管理系统中进行扩展，使之能直接存储和管理矢量空间数据，如Oracle和Informix等都推出了空间数据管理的扩展模块。（3）Oracle Spatial简介简介 Oracle Spatial是Oracle公司推出的空间空间数据库组件数据库

10、组件，通过Oracle数据库系统存储和管理空间数据。 Oracle从9i开始对空间数据提供了较为完备的支持。Oracle Spatial主要通过元数据表元数据表、空间数空间数据字段据字段（即SDO_GEOMETRY字段）和空间索引空间索引来管理空间数据，并在此基础上提供一系列空间查询和空间分析空间查询和空间分析的函数，让用户进行更深层次的GIS应用开发。Oracle Spatial使用空间字段SDO_GEOMETRY存储空间数据，用元数据表来管理具有SDO_GEOMETRY字段的空间数据表，并采用R树索引和四叉树索引技术来提高空间查询和空间分析的速度。 创建包含SDO_GEOMETRY列的表来

11、存储位置。SQLCREATE TABLE usersId NUMBER,Poi_name,VARCHAR2(32),Location SDO_GEOMETRY存储位置的新列SQLINSERT INFO users 1， PIZZA HUT, SDO_GEOMETRY ( 2001，-2代表维数，1代表几何类型为点 NULL，-其他字段设置为空 SDO_POINT_TYPE -指定点的坐标 （-87,（经度） 37，（维度） NULL ） )4.面向对象模型 面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记彔，而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。面向对象的空间数据库管理系统允许用户定

12、义对象和对象的数据结构及操作。这样，我们可以将空间对象根据GIS的需要，定义出合适的数据结构和一组操作。当前已经推出了若干个面向对象数据库管理系统，也出现一些基于面向对象的数据库管理系统的地理信息系统。但由于面向对象数据库管理系统还不够成熟，价栺又昂贵，目前在GIS领域还不太通用。相反基于对象-关系的空间数据库管理系统是目前GIS空间数据管理的主流。4.3 空间数据组织 空间数据具有海量、多时空、多尺度、多源、异构等特征。 为提高空间信息存取和检索速度，对海量数据需要进行有效组织。 习惯按不同比例尺、横向分幅（标准分幅或区域分幅等）、纵向分层（专题层等）来组织海量空间数据。 纵向分层组织纵向分

13、层组织空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常称为图层。称为图层。1 1、空间数据分层方法：、空间数据分层方法：1 1）专题分层）专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。2 2）时间序列分层）时间序列分层 把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。3 3）地面垂直高度分层）地面垂直高度分层把不同垂直高度的数据作为一个数据层把不同垂直高度的数据作为一个数据层。 Z Z2

14、2、空间数据分层的目的、空间数据分层的目的39便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。1 1）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往就简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单；往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单；2 2）对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数）对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因据进行查询，只需要对

15、某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度；而可加快查询速度；3 3）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图层，因而增加了图形显示的灵活性；层，因而增加了图形显示的灵活性；4 4）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。 由于空间信息的海量及空间分布范围广等特征，需要进行分割：p磁盘容量有限p系统故障，或操作不慎，将导致数据不完全p数据库维护不便，局部范围更新，将处理整个数据库。p查询效率不高，查询多在局部范围，数据文件越大，局部数据处理的相对时间越长。 横向分块组织横向分块组

16、织u分块方式l标准经纬度分块l矩形分块l任意区域多边形分块u分块尺寸 可以是任意尺寸，根据实际需要而定。大多数情况下，图块按照地图图幅大小来划分。小比例尺按经纬线分幅，大比例尺地图按矩形分幅。4.4 栅格数据存储与管理 在海量影像数据库中，大多数情况下每次调度和使用的影像数据的某一分辨率和空间范围很小的一部分影像数据。如果数据文件很大，将直接影响到数据的读取执行速度。 一幅卫星影像数据的大小都有三四百兆，有的甚至几个 GB，镶嵌后的遥感影像可能会超过 10GB 或 100GB 以上。面对如此庞大的数据，要进行快速显示浏览、图像增强、图像编辑等操作，现在普通的计算机硬件配置都无法满足要求。1.栅

17、格数据管理 为了实施对影像数据的高效的组织和存储需要采用影像金字塔技术，即：在同一的空间参考下，根据用户需要以不同分辨率进行存储与显示，形成分辨率由粗到细、数据量由小到大的金字塔结构。影像金字塔核心思想核心是对遥感影像进行分块、分层： 分层就是把原始影像数据按照不同分辨率进行管理，具体就是把分辨率高的影像层依次通过采样算法得到低一层的影像数据。 分块是对分层之后的影像数据按照设定好的影像块进行分割存储。分块之后只需要将需要显示和处理的若干个影像块数据读入内存，而并非未分块前的一整幅影像。影像金字塔构建过程 先将原始影像进行分块，然后对数据块进行重采样生成较低分辨率的影像，依次进行，直到完成预定

18、的分层；最后对每层的影像块按影像金字塔进行组织。 一般采用固定大小的分块方法。目前建立影像数据库多采用数据块大小为 128128或 256256。影像金字塔两种构建方法p 一种是数据源本身就是多分辨率的，只需要按照影像金字塔组织这些数据即可；p 另一种是除了金字塔最底层数据是原始数据外，其它层的影像数据都是从底层抽取，然后再按影像金字塔结构进行组织。 对于第二种情况，影像金字塔通常采用倍率方法构建，从而形成多个分辨率层次采用倍率抽取方法构建金字塔时，从底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的范围不变。 假定原始影像的大小是 2n2n 像素，并把它叫做第 0 层，对第 0 层采用隔点隔行的抽取方法得到它的较低分辨率影像，把它叫做第 1 层；对第 1 层重复上面的步骤，得到第 2 层影像，继续这个过程，直到满足所需要的分辨率为止。2.栅格数据存储 栅格数据集用一个特殊的方法定义地理位置。一旦格网单元或者象素可以被精确引用，然后获得一个栅格中所有格网单元值的一个顺序列表是容易的。这意味着每个栅格数据集通常有一个header record存储它的地