第5章空間數據組織與管理朱瑩主要內容空間數據庫概述空間數據管理空間數據組織空間索引空間數據庫查詢語言空間數據庫概述數據庫基礎數據是描述事物的符號記錄，可以是數字形式，也可以是文字、圖形、圖像、聲音、語言等多種表現形式數據庫是長期儲存在計算機內的、有組織的、可共享的數據集合數據庫中的數據按一定的數據模型組織、描述和儲存，具有較小的冗余度、較高的數據獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享數據庫基礎最常用的數據模型層次模型（HierarchicalModel）網狀模型（NetworkModel）關系模型（RelationalModel）面向對象模型（ObjectOrientedModel）非關系模型數據庫基礎文件系統網狀數據庫管理系統.數據模型演化層次數據庫管理系統面向對象數據庫管理系統關系數據庫管理系統對象關系數據庫管理系統空間數據庫地理信息系統的數據庫（簡稱空間數據庫或地理數據庫）是某一區域內關于一定地理要素特征的數據集合；是地理信息系統在計算機物理存儲介質存儲的與應用相關的地理空間數據的總和空間數據庫是地理信息系統中用于存儲和管理空間數據的場所空間數據庫系統在整個地理信息系統中占有極其重要的地位，是地理信息系統發揮功能和作用的關鍵，主要表現在：用戶在決策過程中，通過訪問空間數據庫獲得空間數據，在決策過程完成后再將決策結果存儲到空間數據庫中空間數據庫空間數據庫的特點：數據量特別大，地理信息系統是一個復雜的綜合體，要用數據來描述各種地理要素，尤其是要素的空間位置和空間關系等，其數據量往往很大不僅有地理要素的屬性數據（與一般數據庫中的數據性質相似），還有大量的空間數據，即描述地理要素空間分布位置的數據，并且這兩種數據之間具有不可分割的聯系數據應用廣泛，例如地理研究、環境保護、土地利用和規劃、資源開發、生態環境、市政管理、道路建設等空間數據庫空間數據庫的組成柵格數據庫柵格數據包括航空遙感影像數據和DEM數據矢量數據庫矢量數據則包括各種空間實體數據（圖形和屬性數據）空間數據庫空間對象影像數字高程模型圖形屬性空間數據庫組成空間數據管理空間數據的基本特征空間特征每個空間對象都具有空間坐標，即空間對象隱含了空間分布特征，因此數據庫應對空間數據建立空間索引非結構化特征在關系數據庫管理系統中，數據記錄中每條記錄都是定長的（結構化），數據項不能再分，不允許嵌套記錄，空間數據不滿足這種定長（結構化）要求，使得空間圖形數據難以直接采用通用的關系數據管理系統空間數據管理空間數據的基本特征空間關系特征空間數據除了空間坐標隱含了空間分布關系外，還通過拓撲數據結構表達了多種空間關系拓撲數據結構一方面雖然方便了空間數據查詢和空間分析，但另一方面也給空間數據的一致性和完整性維護增加了復雜度如拓撲的面狀實體僅記錄組成它的弧段標識，因而進行查找、顯示和分析操作時都需要操作和檢索多個數據文件多尺度與多態性不同觀察比例尺具有不同的尺度和精度，同一地物在不同情況下也會有形態差異如城市在空間上占據一定的范圍，在較大比例尺中作為面狀空間實體對象，而在較小比例尺中，則作為點狀空間對象來處理空間數據管理空間數據的基本特征分類編碼特征每個空間對象都有一個分類編碼，這種分類編碼往往是按照國家標準，或者行業標準、地區標準來應用海量數據特征GIS中數據量非常龐大，遠大于一般的通用數據庫，稱為海量數據一個城市地理信息系統數據量可達幾十GB，如果考慮影像數據的存儲，可能達到幾百個GB需要在二維空間上劃分塊或圖幅，在垂直方向上劃分層進行數據組織空間數據管理通用數據庫管理系統在管理空間數據時，面臨的問題：GIS需要一些復雜的圖形功能，一般的DBMS不能支持DBMS一般都難以實現對空間數據的關聯、連通、包含、疊加等基本操作地理信息表達復雜，表達單個地理實體需多個文件、多條記錄，或許包括大地網、特征坐標、拓撲關系、空間特征量測值、屬性數據的關鍵字以及非空間專題屬性等具有高度內部聯系的GIS數據記錄需要復雜的安全維護系統，為了保證空間數據庫的完整性，保護數據文件的完整性，保護系列必須與空間數據一起存儲，否則一條記錄的改變就會使其他數據文件產生錯誤空間數據管理通用數據庫管理系統在管理空間數據時，面臨的問題：GIS中空間數據記錄是變長的（存儲的坐標點的數目隨空間對象的變化而變化），而一般數據庫都只允許把記錄的長度設定為固定長度。另外，在存儲和維護空間數據拓撲關系方面，DBMS也存在著缺陷矢量數據的管理對于矢量數據，其位置數據和屬性數據通常是分開組織的空間數據管理方式與數據庫發展是密不可分的，按照發展的過程，對矢量數據的管理有：文件/關系數據庫混合管理全關系管理對象關系數據庫管理矢量數據的管理文件-關系數據庫混合管理傳統GIS軟件采用文件與關系數據庫混合方式管理空間數據，比較典型的是ArcInfo，有的系統也采用純文件方式管理空間數據，如MapInfo；即用文件系統管理幾何圖形數據，用商用關系型數據庫管理屬性數據，兩者之間通過目標標識或內部連接碼進行連接OID（目標ID或內部連接碼）圖形數據屬性數據矢量數據的管理文件-關系數據庫混合管理方式的缺點：屬性數據和圖形數據通過ID聯系起來，使查詢運算，模型操作運算速度慢數據發布和共享困難屬性數據和圖形數據分開存儲，數據的安全性、一致性、完整性、并發控制以及數據損壞后的恢復方面缺少基本的功能缺乏表示空間對象及其關系的能力矢量數據的管理全關系型數據庫管理圖形數據與屬性數據都采用現有的關系型數據庫存儲，使用關系數據庫標準連接機制進行空間數據與屬性數據的連接DBMS空間數據庫GIS界面屬性數據（定長記錄）空間數據（變長記錄）關系表二進制塊全關系管理空間數據矢量數據的管理對變長結構的空間幾何數據的處理方法：按照關系數據庫組織數據的基本準則，對變長的幾何數據進行關系范式分解，分解成定長記錄的數據表進行存儲缺點：根據關系模型的分解與連接原則，在處理一個空間對象如面對象時，需要進行大量的連接操作，非常費時將圖形數據的變長部分處理成Binary二進制Block塊字段如Oracle公司引入LongRaw數據類型；Informix版本引入的BLOB（二進制數據塊）數據類型；SQLServer引入IMAGE數據類型缺點：這種存儲方式，雖然省去了大量關系連接操作，但二進制塊的讀寫效率要比定長的屬性字段慢得多，特別是涉及對象的嵌套，速度更慢矢量數據的管理對象-關系數據庫管理對關系數據庫管理系統進行擴展，使之能直接存儲和管理非結構化的空間數據如Informix和Oracle等都推出了空間數據管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓、長方形等空間對象的API函數這些函數將各種中間對象的數據結構進行了預先的定義，用戶使用時必須滿足它的數據結構要求，用戶不能根據GIS要求再定義例如這種函數涉及的空間對象一般不帶拓撲關系，多邊形的數據是直接跟隨邊界的空間坐標，GIS用戶不能將設計的拓撲數據結構采用這種對象-關系模型進行存儲矢量數據的管理對象－關系管理空間數據GIS應用商用DBMS空間數據管理專用模塊空間和屬性數據庫矢量數據的管理擴展的空間對象管理模塊主要解決了空間數據的變長記錄的管理，由數據庫軟件商進行擴展，效率要比前面所述的二進制塊的管理高得多。但是它仍然沒有解決對象的嵌套問題，空間數據結構也不能內用戶任意定義，使用上仍受到一定限制空間數據還包括數字高程模型、影像數據及其他專題數據。雖然利用關系數據庫管理系統中的大對象字段可以分塊存貯影像和DEM數據，但是對于多尺度DEM數據，影像數據的空間索引、無縫拼接與漫游、多數據源集成等技術還沒有一個完整的解決方案柵格數據的管理柵格影像不僅包含了屬性信息，還包含了隱藏的空間位置信息（即格網的行、列信息），即隱含著屬性數據與空間位置數據之間的關聯關系柵格數據的管理包括：基于文件的影像數據庫管理文件結合數據庫影像管理基于關系數據庫管理文件管理方式目前大部分GIS軟件和遙感圖像處理軟件都是采用文件方式來管理遙感影像數據遙感影像數據并不是僅僅包含圖像數據本身，還包含大量的圖像元數據信息（如圖像類型、攝影日期、攝影比例尺等），遙感圖像數據本身還具有多數據源、多時相等特點數據的安全性、并發控制和數據共享等都將使文件管理無法應付文件-數據庫管理方式實施這種方式管理影像數據時，影像數據仍按照文件方式組織管理；在關系數據庫中，每個文件都有唯一的標識號（ID）對應影像信息，如文件名稱、存儲路徑等這種方式管理影像數據，不是真正的數據庫管理方式，影像數據并沒有放入數據庫中，數據庫管理的只是其索引由于影像數據索引的存在，使影像數據的檢索效率得到提高關系數據庫管理基于擴展關系數據庫的影像數據庫管理是將影像數據存儲在二進制變長字段中，應用程序通過數據訪問接口來訪問數據庫中的影像數據。同時影像數據的元數據信息存放在關系數據庫的表中數據庫方式管理影像數據的特點：所有數據集中存儲，數據安全，易于共享方便管理多數據源和多時態數據支持事務處理和并發控制，有利于多用戶的訪問與共享影像數據和元數據集成到一起，方便進行交互式查詢關系數據庫管理數據庫方式管理影像數據的特點：對Client/Server的分布式應用支持較好，網絡性能和數據傳輸速度都有很大提高影像數據訪問只能通過數據庫驅動接口訪問，有利于數據的一致性和完整性控制支持異構網絡模式，即應用程序和后臺數據庫服務器可以在不同操作系統平臺下運行空間數據庫引擎采用關系數據庫與文件混合管理模式的傳統GIS數據庫系統技術，在應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用現代數據庫技術統一存放和管理空間數據與屬性數據是GIS發展的必然趨勢1996年，ESRI公司與Oracle等數據庫開發商合作，開發出一種能將空間圖形數據也存放到大型關系數據庫中管理的產品，將其定名為“spatialdatabaseengine”，簡稱SDE，即為“空間數據庫引擎”空間數據庫引擎之后許多的GIS廠商和數據庫廠商紛紛提出自己的商業化的產品和解決方案，比較成熟的有GIS廠商ESRI公司的ArcSDE，MapInfo公司的SpatialWare，數據庫廠商Oracle公司的Spatial，Informix公司的SpatialDataBlade等產品和技術空間數據引擎主要是為解決存儲在關系數據庫中的空間數據與應用程序之間的數據接口問題空間數據庫引擎主要有兩種方式一種以ESRI與數據庫開發商聯合開發的空間引擎SDE為代表，可稱之為“中間件”方式的空間數據庫引擎另一種空間數據引擎由數據庫廠商開發，即“嵌入式”空間數據庫引擎空間數據庫引擎OracleSpatial實際上只是在原來的數據庫模型上進行了空間數據模型的擴展，實現的是“點、線、面”等簡單要素的存儲和檢索，它并不能存儲數據之間復雜的拓撲關系，也不能建立一個空間幾何網絡ArcSDE解決了這些問題，并利用空間索引機制來提高查詢速度，利用長事務和版本機制來實現多用戶同時操縱同一類型數據，利用特殊的表結構來實現空間數據和屬性數據的無縫集成空間數據組織以文件-關系型管理模式為例圖幅數據組織由于GIS工程涉及范圍廣（如全市、全省、全國甚至全球），在管理空間數據時必須進行分幅管理（同傳統地圖分幅）圖幅一般對應一塊區域，常見的分幅方式有標準分幅和區域分幅

將一幅或相鄰幾幅圖當作一個工作單元，稱之為工作區（workspace）圖幅數據組織GIS工程工作區1工作區2工作區m工作層1圖幅2圖幅n圖幅1工作層2工作層p地物類2地物類1地物類q地物1地物2地物r…….…….…….…….…….GIS數據的組織管理圖幅數據組織工作層被定義為空間數據處理的一個工作單元，工作區由若干工作層組成工作層在范圍上可能與工作區一致，但在垂直方向上則因軟件系統不同而名稱和定義不同ARC/INFO的工作層稱為coverage，一個coverage就是一個工作目錄MGE的工作層就是一個DGN文件，也稱為catalog在GeoStar中，一個工作層就是一個GDA文件一個工作層可以是一個邏輯層，也可以是某一個覆蓋層工作層由一種或多種地物類組成，可以根據需要自行定義圖幅數據組織空間數據的圖庫管理當GIS所管理的區域和所要求的比例尺都比較大時，如在城市規劃管理信息系統中，數據庫包含大量的圖幅，涉及多個工作區及很多工作層的數據組織和管理，這時一個GIS系統會包含幾百、幾千，甚至上萬個工作區。GIS軟件必須讓用戶能在整個區域內進行眾多圖幅（分區）、工作層的調用，圖幅拼接和跨圖幅的剪切、開窗，跨圖幅工作層的漫游、查詢、分析和制圖等。這就涉及到圖庫的管理空間數據的圖庫管理在無縫大地圖的方式下，圖庫管理職能通過有效的分幅（分區）、分層的空間索引，以滿足用戶對具體的局部區域和專題層的操作、檢索的需要圖庫管理是海量空間數據管理的需要，是大型GIS軟件的必備功能，其管理效率是衡量GIS軟件優劣的重要指標之一屬性數據組織屬性數據由關系數據庫管理系統管理，但它的文件組織方式也要服從工作層、工作區和圖庫的要求屬性文件組織的主要方式：與工作層對應的組織方式一個工作區對應一個屬性文件，屬性文件建立在工作區目錄下。Arc/Info采用這種方式，屬性數據文件一般建立在對應的coverage目錄之下。無論一個工作區包含多少地物類，其目錄下僅有一個AAT表（記錄弧段屬性數據）和一個PAT表（記錄多邊形屬性數據）。為了表達不同地物類的不同屬性項，可以按照每個地物類建立一個擴展的屬性表，讓它們通過地物編碼和內部連接碼與AAT表和PAT表相連。因此在查詢某一空間地物的屬性時，先從AAT表和PAT表中得到部分信息，再從關系連接查詢到擴展屬性信息。屬性數據組織與地物類對應的組織方式一個地物類文件對應一個屬性表，在這種方式中，把屬性文件放在工程（項目）目錄下集中管理，方便屬性查詢。MGE的屬性數據文件是建立在地物類的基礎上，將所有的屬性文件均放在對應的工程目錄之下。也就是說，不同工作區的相同地物類的屬性放在一起，這樣屬于屬性的工程管理，提高了在工程范圍內查找某一屬性的速度MGE并不要求每個地物類都帶有屬性表，無關緊要的地物可以不要屬性表屬性數據組織混合方式由于前兩種方式存在缺陷，例如一個工作區對應一個屬性文件時，如果工作區涉及多個工作層，工作層下再細分出邏輯層，采用這種管理方式會給屬性信息檢索和更新帶來極大不便；采用單個地物類對應單屬性數據時又過于死板，更具彈性的方式是既可以設計一個地物類有一個屬性表，又可以多個地物類共用一個屬性在GeoStar中，既可以對每一個地物類設計屬性表，也可以對屬性項相同或相近的多個地物類設計一個公用的屬性表。如高速公路、一級公路、二級公路、鄉鎮公路等，它們的地物類型編碼可能不同，但它們的屬性項可能相同，因而它們可以共有一個屬性表，以便于查詢、顯示和最佳路徑分析GeoStar的屬性數據文件的組織與MGE基本類似，在建立工程之前，屬性數據文件位于與工作區平行的目錄之下；在工程建立之后，則直接位于工程目錄之下。一個屬性文件包括了該工程內所有同類空間對象的屬性空間索引空間索引指依據空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關系按一定的順序排列的一種數據結構，其中包含空間對象的概要信息，如對象的標識、外接矩形及指向空間對象實體的指針空間索引是一種輔助性的空間數據結構，介于空間操作算法和空間對象之間，它通過篩選作用，排除與特定空間操作無關的空間對象，提高空間操作的速度和效率空間索引空間索引的類型對象范圍索引格網索引四叉樹空間索引R樹和R+樹空間索引對象范圍索引在記錄每個空間實體的坐標時，記錄包圍每個空間實體的外接矩形的最大最小坐標在檢索空間實體時，根據空間實體的最大最小范圍，預先排除那些沒有落入檢索窗口內的空間實體，僅對那些外接矩形落在檢索窗口的空間實體作進一步的判斷，最后檢索出那些真正落入窗口內的空間實體對象范圍索引沒有創建真正的空間索引文件，而是在空間對象的數據文件中增加了最大最小范圍，主要依靠空間計算進行判別對象范圍索引A查詢窗口BCEFD基于實體范圍的空間數據檢索格網索引格網型空間索引的基本思想是將研究區域用橫豎線條劃分大小相等和不等的格網，記錄每一個格網所包含的空間實體將覆蓋整個研究區的范圍按照一定的規則劃分成大小相等的格網，記錄每個格網內所包含的空間實體，為了便于建立空間索引的線性表，將每個格網按Morton碼或稱Peano碼進行編碼，建立Peano碼與空間實體的關系，該關系表就成為格網索引文件按格網法對空間數據進行索引時，所劃分的格網數不能太多，否則索引表本身太大不利于數據的索引和檢索ABCGFD2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042Peano碼實體7B14F15F25A26F32D33D35D,G37F38D39F48F50F54C55C60C實體Peano碼A25-25B7-7C54-55C60-60D32-33D35-35D38-38F14-15F26-26F37-37F39-39F48-48F50-50G35-35基于Peano碼的格網法空間索引空間索引表實體索引表四叉樹空間索引四叉樹作為一種有效的數據結構，不僅可以用來對柵格數據進行組織，它還可用于建立空間數據的索引在建立四叉樹索引時，根據所有空間對象覆蓋的范圍，進行四叉樹分割，使每個子塊中包含單個實體，然后根據包含每個實體的子塊層數或子塊大小，建立相應的索引在四叉樹索引中，大區域空間實體更靠近樹的根部，小實體位于葉端，以不同的分辨率來描述不同實體的可檢索性。四叉樹空間索引線性四叉樹采用十進制Morton碼或Peano碼來表示四叉樹的大小和層數用線性四叉樹組織的空間索引57E1315GB46121413028AFDCpeano碼邊長實體04E02D11A41F82C151B、GR樹和R+樹空間索引R樹和R+樹利用空間實體的外接矩形來建立空間索引R樹空間索引不僅利用單個實體的外接矩形，還將空間位置相近的實體的外接矩形重新組織為一個更大的虛擬矩形虛擬矩形的條件虛擬矩形方向與坐標方位軸一致包含盡可能多的空間實體矩形間的重疊率盡可能少允許在每個矩形內再劃分小矩形對虛擬矩形建立空間索引，它含有指向所包圍的空間實體的指針R樹和R+樹空間索引R樹空間索引是按包含實體的矩形來確定的，樹的層次表達了分辨率信息，每個實體與R樹的結點相聯系矩形的數據結構為：RECT（Rectangle-ID，Type，Min-X，Min