第五章-空间数据组织与管理.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 空间数据组织与管理,地科院 空间系,第,5,章 空间数据组织与管理,5.1,空间数据库概述,5.2,空间数据库管理,5.3,空间数据组织,5.4,空间索引,5.5,空间数据库查询语言,5.1,空间数据库概述,数据库,定义：数据库是为一定目的服务，以特定结构存储的相关联的数据的集合。,特点,数据独立于应用程序而集中管理,数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系,数据库管理的阶段：,人工管理阶段,文件管理阶段,数据库管理阶段,数据模型,层次模型,网络模型,关系模型,面向对象模型,5.1,空间数据库概述,数据的组织方式,数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。,数据项,:,是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。,记录,:,由若干相关联的数据项组成。,文件,:,文件是一给定类型的,(,逻辑,),记录的全部具体值的集合。,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。,5.1,空间数据库概述,空间数据库,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,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,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,传统数据库与空间数据库的比较,5.1,空间数据库概述,5.2,空间数据库管理,5.2,空间数据库管理,5.2.1,空间数据库的数据特征,空间特征,非结构化特征,空间关系特征,多尺度与多态性,分类编码特征,海量数据特征,5.2,空间数据库管理,5.2.2,矢量数据的管理,基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案,基于关系式数据库的空间数据管理方案,基于对象,关系式数据库的空间数据管理方案。,文件 关系数据库混合管理方案,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,，,MGE,，,GenMap,等,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,5.2,空间数据库管理,5.2,空间数据库管理,5.2,空间数据库管理,全关系式数据库管理方案,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,、,Geovision,等,GIS,界面,属性数据,（定长记录）,空间数据,（变长记录）,DBMS,空间,数据库,关系表,二进制块,5.2,空间数据库管理,5.2,空间数据库管理,对象关系数据库管理方案,对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型,解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高,没有解决对象嵌套问题，用户不能根据,GIS,要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储,GIS,软件：,TIGER,，,Geo+,、,Geo Tropics,等,GIS,界面,空间数据处理,DBMS,空间,数据库,扩充实体类型,（点、线、面、圆等）,5.2,空间数据库管理,5.2,空间数据库管理,栅格数据的管理：,1,、文件管理方式,2,、文件,数据库管理方式,3,、关系数据库管理方式,5.2,空间数据库管理,5.2,空间数据库管理,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。,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，数据库管理的只是其索引。由于影像数据索引的存在，使影像数据的检索效率得到提高。,5.2,空间数据库管理,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。,这是,SDE,的实质,目前空间数据库引擎主要有两种主要方式,1,、以,ESRI,与数据库开发商联合开发的空间引擎,SDE,为代表，可称之为,“中间件”方式,的空间数据库引擎。,2,、另一种空间数据引擎由数据库厂商开发。这些厂商凭借其在数据库核心技术上的优势，在关系数据库管理系统本身作出扩展，使之支持空间数据管理。如,Oracle,公司的,Spatial,即是支持空间数据管理的专用模块，这种方式可成为,“嵌入式”空间数据库引擎,。,比较成熟的有,GIS,厂商,ESRI,公司的,ArcSDE,，,MapInfo,公司的,SpatialWare,，数据库厂商,Oracle,公司的,Spatial,，,Informix,公司的,Spatial Data B1ade,等产品和技术。,空间数据库引擎,ArcSDE,原理示意图,ArcSDE,，即数据通路，是,ArcGIS,的空间数据引擎，它是在关系数据库管理系统（,RDBMS,）中存储和管理多用户空间数据库的通路。,从空间数据管理的角度看，,ArcSDE,是一个连续的空间数据模型，借助这一空间数据模型，可以实现用,RDBMS,管理空间数据库。,在,RDBMS,中融入空间数据后，,ArcSDE,可以提供空间和非空间数据进行高效率操作的数据库服务。,ArcSDE,采用的是客户,/,服务器体系结构，所以众多用户可以同时并发访问和操作同一数据。,ArcSDE,还提供了应用程序接口，软件开发人员可将空间数据检索和分析功能集成到自己的应用工程中去。,空间数据组织,无论采用上述何种模式管理空间数据，空间数据的组织方式均非常重要。不同的管理模式所对应的空间数据组织方式可能不一样，不同的,GIS,系统之间，其空间数据组织方式也不相同。下面以文件,-,关系型管理模式为例，讨论空间数据的组织问题,5.3,空间数据组织,5.3.1,图幅数据组织,为什么要分幅？,GIS,中将某一问题域或某一项,GIS,任务称为一个,GIS,工程。,常见的分幅方式,工作区,根据需要往往将一幅或相邻几幅图当作一个工作单元,工作层,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成。,GIS,工程,工作区,1,工作区,2,工作区,m,工作层,1,图幅,2,图幅,n,图幅,1,工作层,2,工作层,p,地物类,2,地物类,1,地物类,q,地物,1,地物,2,地物,r,.,.,.,.,.,图,GIS,数据的组织管理结构,5.3,空间数据组织,5.3,空间数据组织,在工作层的基础上，如果研究对象过于庞杂（例如所有地物类），或者需要分类研究，或者为了显示、制图和查询方便，仍需要对其进行分层，此时进行可以进行逻辑层（,logic layer,）的划分。如研究全国道路交通网，可以需要分别研究铁路、公路（高速公路、等级公路、等外公路）等，此时，可以在道路层的基础上划分逻辑层,地物类是类型相同的地物总称。同类地物一般用相同的显示颜色和绘图符号表示，而且严格按照点状地物类、线状地物类和面状地物类进行划分。有些软件将点状地物、线状地物、面状地物分不同的数据文件进行管理，如,ARC/INFO,；而,MGE,、,GeoStar,则将工作区中的所有地物（无论点、线、面）用一个文件进行统一管理。,5.3,空间数据组织,5.3,空间数据组织,5.3.2,空间数据库的图库管理,当,GIS,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，数据库会包含大量的图幅，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,GIS,系统会包含几百、几千，甚至上万个工作区。,GIS,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。这就涉及到图库的管理。,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,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。,5.3,空间数据组织,5.3.3,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。,属性数据组织的三种方式,与工作层对应的组织方式,Arc/Info,与地物类对应的组织方式,MGE,混合方式,GeoStar,5.4,空间索引,经对研究区空间数据输入并建立空间数据库以后，得到了一个庞大的数据库，如何从该数据库中快速检索、提取所需的空间数据来满足空间分析、模拟与决策的需要是一个重要的问题。,空间索引就是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。,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。,空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系统的整体性能，它是空间数据库和地理信息系统的一项关键技术。,常见的空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构空间索引，比较有代表性的包括,BSP,树、,K-D-B,树、,R,树、,R+,树和,CELL,树等以及格网索引,5.4,空间索引,-,5.4.1,对象范围索引,在记录每个空间实体的坐标时，记录包围每个空间实体的外接矩形的最大最小坐标。这样，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体，仅对那些外接矩形落在检索窗口的空间实体作进一步的判断，最后检索出那些真正落入窗口内的空间实体。,A,查询窗口,B,C,E,F,D,图 基于实体范围的空间数据检索,5.7.3,格网索引,基本思想：,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体。当用户进行空间查询时，首先计算出用户查询对象所在格网，然后再在该网格中快速查询所选空间实体，这样一来就大大地加速了空间索引的查询速度。,5.4,空间索引,-,5.4.2,四叉树空间索引,5.7.2,四叉树空间索引,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。,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同实体的可检索性。,R,树结构示意图,5.4.3,R,树和,R+,树空间索引,R+,树结构示意图,A,B,F,D,1,D,2,C,E,G,C,E,D,2,A,B,D,1,F,G,5.4.3,R,树和,R+,树空间索引,5.5,空间数据库查询语言,SQL,语言的发展,(,Structured Query Language,结构化查询语言,),1974,年由,Boyce,和,Chamberlin,提出的,1975,年,1979,年,IBM,公司在其关系数据库管理系统原型,system R,并实现了这种语言。,SQL-86,为,SQL,的最初版本，亦称为,SQL-1,；,SQL-92,是,SQL,成为关系数据库标准语言的版本，也称为,SQL-2,；,SQL-99,时则主要考虑对通用,SQL,进行扩展，以支持空间数据，是,SQL,的第三个版本，也称为,SQL-3,。,SQL,语言的功能,SQL,语言集,数据查询,（,Data Query,）、,数据操纵,（,Data Manipulation,）、,数据定义,（,Data Definition,）和,数据控制,（,Data Control,）功能于一体，主要特点包括：综合统一，,SQL,集数据定义、操纵、控制功能于一体，能很好的满足数据操作要求；高度非结构化，,SQL,进行数据操作时，只需提出,“,做什么,”,，操作由系统自动完成；面向集合的操作方式；语言简捷，易学易用等特点。,SQL,语言的不足,SQL,不足之处是只提供简单的数据类型：整型、日期型、字符串型等。,空间数据库的应用必须能处理多点、线和多边形这样的复杂的数据类型。亟需对,SQL,语言进行空间扩展。,SQL,的空间扩展，需要一项普遍认可的标准。,OGIS,提出了一套规范,.,把二维地理空间,ADT,（,abstract data type,抽象数据类型）整合到,SQL,之中，并且包括了指定拓扑的操作和空间分析操作。,利用,OR-DBMS,那么我们必须对,SQL,进行扩展,使其支持对象的功能,SQL-99,时则主要考虑对通用,SQL,进行扩展，以支持空间数据，是,SQL,的第三个版本，也称为,SQL-3,。,抽象数据类型,(ADT),CREATE TYPE,定义,ADT,由一组属性和访问这些属性的成员函数组成,成员函数可以隐含地修改数据类型中的属性值,CREATE TYPE Point AS OBJECT,(x NUMBER,，,y NUMBER,，,FUNCTION Distance(:u point,，：,v point),RETURNS NUMBER);,5.5,空间数据库查询语言,构造,City,表,Create Table City(,Name varchar(30),Country varchar(35),Capital char(1),Shape Point);,INSERT INTO CITY(Brazil,Brasilia,Y,Point(-55.4,-23.2);,5.5,空间数据库查询语言,OGIS,标准定义的一些操作,基本函数,SpatialReference,（）,返回几何体的基本坐标系统,Envelope,（）,返回包含几何体的最小外接矩形,Export,（）,返回以其他形式表示的几何体,IsEmpty,（）,如果几何体是空集则返回真,IsSimple,（）,如果几何体是简单的（即不自交）则返回真,Boundary,（）,返回几何体的边界,拓扑,/,集合运算符,Equal,如果两个几何体的内部和边界在空间上相等，则返回真,Disjoint,如果内部和边界不相交，则返回真,Intersect,如果几何体不相交，则返回真,Touch,如果两个面仅仅是边界相交但是内部不相交，则返回真,Cross,如果一条线和面的内部相交，则返回真,Within,如果给定的几何题的内部不和另一个几何体的外部相交，则返回真,Contains,判断给定的几何体是否包含另一个给定的几何体,Overlap,如果两个几何体的内部有非空交集，则返回真,空间分析,Distance,返回两个几何体之间的最短距离,Buffer,返回到给定几何体的距离小于或等于指定值得几何体的点集合,ConvexHull,返回几何体的最小闭包,Intersection,返回由两个几何体的交集构成的几何体,Union,返回由两个几何体的并集构成的几何体,Difference,返回几何体与给定几何体不相交的部分,SysmmDiff,返回两个几何体与对方互不相交的部分,OGIS,规范,SQL-99,（,SQL-3,）在一定程度上解决了将通用,SQL,扩展到空间的目标，但仍存在以下问题。,OGIS,规范仅仅局限用于空间的对象模型，考虑到空间信息可以映射到场模型，,OGIS,正在开发针对场数据类型和操作的统一模型。,即使在对象模型中，对于简单的选择,-,投影,-,连接查询来说，,OGIS,的操作也存在局限性。,OGIS,标准过于关注基本拓扑的和空间度量的关系，而忽略了对度量操作的类的支持，不支持那些基于方位（例如，北、南、左、前等）谓词的操作。,OGIS,标准不支持动态的、基于形状以及基于可见性的操作。,5.5,空间数据库查询语言,