空间数据组织与管理解析课件

1、第二第三讲2.3 空间数据组织与管理1、空间数据库概述2、空间数据管理3、空间数据组织4、空间索引5、空间数据库查询语言现实世界到数字世界的转换1、空间数据库概述1）数据库的定义 数据库是长期存储在计算机内的有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按照一定的数据模型组织，描述和存储，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。目前，数据库领域中最常用的数据模型有四种： 层次模型 网状模型 关系模型 面向对象模型2） 空间数据库的概念 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；是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应

2、用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。 空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： 1、数据量特别大 2、数据内容包括空间数据、属性数据以及二者之间的关系 3、数据应用广泛2、空间数据管理 1）空间数据的基本特征空间性：形状、位置、分布与空间关系多尺度与多态性：尺度与维数变化多时空性：时间序列与空间序列抽象性：分类编码，空间降维非结构化特征：结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原子数据.而空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。海量数据特征2）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开组织的，这一特

3、点使得在管理时需要同时提及空间位置数据和属性数据。其中属性数据很适合用关系数据库管理，空间位置数据不太适合用关系数据库来管理。 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：基于文件管理的方式、文件与关系数据库混合管理系统、全关系型空间数据库管理系统、对象-关系数据库管理系统缺点：1）程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。2）以文件形式共享，当多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。不能达到真正的共享，即数据项、记录项的共享。GIS应用1空间、属性数据文件1GIS应用2空间、属性数据文件2空间、属性数据文件3 基于

4、文件管理的方式 文件与关系数据库混合管理系统双元模型GIS应用软件Arc/Info 图形用户界面ArcEdit属性用户界面Tables图形数据文件库属性数据库图形处理系统数据库管理系统oid除oid作为连接关键字以外，几乎是两者独立地组织、管理和检索。属性数据oid图形数据1) 图形与属性结合的各自分开处理模式-早期系统: 图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统来回切换，不方便。几何图形: 图形用户界面与图形文件处理是一体的，中间没有裂缝。属性数据，则因系统和历史发展而异。2)图形与属性结合的混合处理模式 GIS 通过DBM

5、S提供的高级编程语言C或Fortran等接口，在C语言的环境下，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。 在ODBC(Open DataBase Connectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据。用户界面C语言C或ODBC图形处理数据库管理系统图形数据文件库属性数据库 采用文件与RDBMS的混合管理模式中文件管理系统的功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能。因而G

6、IS软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMS。 全关系型空间数据库管理系统分层模型 GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。GIS应用扩展DBMS以容纳空间数据商用DBMS空间和属性数据库用RDBMS管理图形数据有两种模式：a、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。 例如：b、将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段（多媒体或变长文本）。省去大量关系连接操作，但Binary Block的读写效率比定长的属性字段慢得多，特别涉及对象的嵌套时，更慢。 对象-关系数据库管理系统 DBMS软件商在RDB

7、MS中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据，如Informix 和Oracle等都推出了空间数据管理的专用模块，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的函数。 主要解决空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构不能由用户定义，用户不能根据要求再定义，使用上受一定限制。GIS应用空间数据管理的专用模块 商用DBMS空间和属性数据库3）栅格数据的管理 随着GIS应用的深入，遥感影像数据、数字高程模型、栅格化地理数据在整个GIS领域的应用越来越广泛，影像数据具有信息丰富，覆盖面广和经济，方便，快速获取等优点。 栅格影像数据，不仅包含了属性信

8、息，还包含了隐藏的空间位置信息（格网行，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。 对栅格数据的管理有：基于文件管理的方式、文件结合关系数据库管理、完全基于关系数据库管理。 文件管理 目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是应用文件方式来管理遥感影像数据。 缺点： （1）由于遥感影像数据库并不是仅仅包含图像数据本身，而且还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有多数据源，多时相等特点。 （2）无法保证数据的安全性，并发控制和数据共享等。 文件数据库管理方式为了改进文件方式管理影像数据的效率，一种新的管理方式被提出来：文件+数据库管理

9、方式。 （1）影像数据仍然以文件方式组织管理； （2）在关系数据库中，每个影像文件都有唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件名称，存储路径等。 关系数据库管理 基于扩展关系数据库的影像数据库管理，是将影像数据存储在二进制定长字段中。然后应用程序通过数据访问接口来访问数据库中的影像数据。同时影像数据的元数据信息也存放在关系数据库的表中，二者可以进行无缝管理。 优点： 所有数据集中存储，数据安全，易于共享； 管理多数据源和多时态的数据； 发挥事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享； 影像数据和元数据集成到一起，能方便的进行交互式查询。 4）空间数据库引擎 采用关系数据库与文件混合管理模式的

10、传统GIS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，总体上无法达到数据库技术冗余度，独立性等要求。用现代数据库技术统一存放和管理空间数据与属性数据是GIS发展的必然趋势。 目前，较为成熟的数据库引擎主要包括ESRI公司的ArcSDE，Mapinfo公司的SpatialWare，以及数据库厂商Oracle公司的Spatial等产品和技术。 目前空间数据库引擎主要有两种方式： 1.中间件方式 2.数据库本身扩展4）空间数据库引擎 （1） OracleSpatial：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“点、线、面”等简单要素的存储和检索，它不能

11、存储数据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一个空间几何网络。 （2）ArcSDE：是ArcGIS与关系数据库之间的GIS通道。它允许用户在多种数据库管理系统中管理地理信息，并使所有的ArcGIS应用程序都能够使用这些数据。ArcSDE从空间数据管理的角度来看，ArcSDE可看成是一个连续的空间数据模型，借助这一模型，我们可用关系型数据库（RDBMS）管理空间数据。在RDBMS中融入空间数据后，ArcSDE可以提供对空间、非空间数据进行高效率操作的数据库服务。由于ArcSDE采用的是客户/服务器（Client/Server）体系结构，大量用户可同时并发地对同一数据进行操作。ArcSDE的体系结构：C

12、ustomAppsCad ClientArcSDEYourDatabaseSolution2- & 3-tierclient/serversolutionsArcSDE 支持的 RDBMS产品OracleSQL ServerInformixIBM DB2RDBMS10 Main StArcSDE ArcSDE是多用户ArcGIS系统的一个关键部件。它为DBMS提供了一个开放的接口，允许ArcGIS在多种数据库平台上管理地理信息。这些平台包括Oracle，Oracle with Spatial/Locator，Microsoft SQL Server, IBMDB2，和Informix。 服务器

13、GIS ArcSDE 功能 3、空间数据组织1）图幅数据组织 GIS中将某一问题域或某一项GIS任务称为一个GIS工程，由于GIS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（同传统地图分幅）。 图幅一般对应一块区域，常见的分幅方式有标准分幅和区域分幅。 （1）标准分幅 （2）区域分幅分层区域分块空间数据库GIS应用大范围 地理区域合理组织面向对象组织矩形分块经纬度分块空间数据的组织地理数据的分层 空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，称为图层（Coverage）。1、空间数据分层方法：1）专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。2）时间序列

14、分层即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。3）地面垂直高度分层把不同高度的数据作为一个数据层。 专题分层时间序列Z空间数据分层的目的：便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。1）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往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单；2）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，因而可加快查询速度；3）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；4）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。 2）空间数据的图

15、库管理 图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型GIS软件的必备功能，其管理效率是衡量GIS软件优劣的重要指标之一。为了提高海量空间数据的管理效率，GIS必须建立强有力的空间索引和查询机制。 分层、分幅、分层索引3）属性数据的组织属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文件组织方式也要服从上述工作层、工作区和图库的要求，以便于图形文件协调工作，共同组成工作区，工作层，并进行跨图幅操作。在不同的商业化软件中，属性文件组织方式各不相同，主要有以下三种方式： （1）与工作层对应的组织方式 （2）与地物类对应的组织方式 （3）混合方式4、空间索引空间索引 指根据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种

16、空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包括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。 作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。目前，常见空间索引方法有对象范围索引，格网索引，四叉树空间索引，R树，R树空间索引。空间索引的性能的优越直接影响空间数据库和地理信息系统的整体性能。现在结构较为简单的格网型空间索引在各GIS软件和系统中（如ArcGIS）都有着广泛的应用。 5、空间数据库查询语言扩展SQL 空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加入空间关系查询。为