1、第六章 空間數(shù)據(jù)管理,6.1 數(shù)據(jù)的管理 6.2 空間數(shù)據(jù)的管理 6.5 空間索引 6.6 元數(shù)據(jù) 6.7 柵格與影像數(shù)據(jù)庫(kù) 6.8 時(shí)空數(shù)據(jù)模型,第六章 空間數(shù)據(jù)管理,6.1 數(shù)據(jù)的管理,計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的管理到目前為止，共經(jīng)歷了四個(gè)階段： 程序管理階段 文件管理階段 數(shù)據(jù)庫(kù)管理階段 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)階段,數(shù)據(jù)與程序共存,順序文件 索引文件 直接文件 倒排文件,數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)、融合等，面向主題組織，服務(wù)于決策系統(tǒng),層次數(shù)據(jù)庫(kù) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù) 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù),1、文件管理方式,文件管理是將GIS中所有的數(shù)據(jù)都存放在自行定義的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操縱工具的一個(gè)或者多個(gè)文件中，包括非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化

2、的屬性數(shù)據(jù)等。空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩者之間通過標(biāo)識(shí)碼建立聯(lián)系。,空間數(shù)據(jù)管理方式,各個(gè)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?yīng)各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當(dāng)兩個(gè)GIS應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)有相同部分時(shí)，可以提出來作為公共數(shù)據(jù)文件 缺點(diǎn)是： 1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時(shí)，應(yīng)用程序也隨之需要改變。 2）以文件形式共享，當(dāng)多個(gè)程序共享一數(shù)據(jù)文件時(shí)，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可，不能達(dá)到真正的共享。,2.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理方式 是目前絕大多數(shù)商用GIS軟件所采用的數(shù)據(jù)管理方案，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。這種方案用商用DBMS管理屬性數(shù)據(jù)，用文件系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù)，空間實(shí)體位置與其屬性通過標(biāo)識(shí)碼建立聯(lián)系。兩

3、者幾乎獨(dú)立地組織、管理和檢索,由于空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)，在表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)方面缺乏完整的語(yǔ)義表達(dá)和存儲(chǔ)機(jī)制；難以保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和操作的統(tǒng)一ArcInfo, MapInfo, Microstation,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與文件系統(tǒng)比較,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,1 層次模型 2 網(wǎng)絡(luò)模型 3 關(guān)系模型 4 面向?qū)ο竽Ｐ?數(shù)據(jù)組織的層次關(guān)系圖,層次模型表示,層次模型反映了實(shí)體之間的層次關(guān)系，簡(jiǎn)單、直觀，易于理解 優(yōu)點(diǎn)：層次和關(guān)系清楚，檢索路線明確； 缺點(diǎn)：不能表示多對(duì)多的關(guān)系，對(duì)任何對(duì)象的查詢都必須從層次結(jié)構(gòu)的根結(jié)點(diǎn)開始，數(shù)據(jù)獨(dú)立性較差，插入和刪除操作比較復(fù)雜。,網(wǎng)狀模型表示,網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見

4、的多對(duì)多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)， 優(yōu)點(diǎn)：適用于數(shù)據(jù)間相互關(guān)系非常復(fù)雜的情況，具有一定的數(shù)據(jù)獨(dú)立和數(shù)據(jù)共享特性，且運(yùn)行效率較高； 缺點(diǎn)：由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶查詢的定位困難，指針的存在使數(shù)據(jù)量大大增加，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜時(shí),關(guān)系模型表示,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)靈活，可滿足所有用布爾邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算規(guī)則形成的詢問要求，能夠搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù)，加入和刪除數(shù)據(jù)都非常方便。 缺點(diǎn)：搜索速度隨關(guān)系的復(fù)雜度增加而下降，只能查找和檢索滿足特定關(guān)系的數(shù)據(jù)。,(1)多邊形關(guān)系表,(2)邊界結(jié)點(diǎn)關(guān)系表,(3)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表,關(guān)系模型例,對(duì)象的劃分：根據(jù)對(duì)象的共性，及對(duì)它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質(zhì)相

5、聯(lián)系，不同的目的就會(huì)有不同劃分。,面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,對(duì)象的定義：無(wú)論怎樣復(fù)雜的事例都可以準(zhǔn)確地由一個(gè)對(duì)象表示，每個(gè)對(duì)象都是包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實(shí)體。,對(duì)象與封裝 類 繼承 多態(tài) ,GIS中面向?qū)ο竽Ｐ?1）空間地物的幾何數(shù)據(jù)模型 通常最高等級(jí)的類為點(diǎn)、線、面 2）拓?fù)潢P(guān)系與面向?qū)ο竽Ｐ?以點(diǎn)或弧段對(duì)象的標(biāo)識(shí)號(hào)來表示弧段和面域的相互關(guān)系 3）面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型 可能與幾何對(duì)象的劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致,GIS中面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù),面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型,MapGIS空間實(shí)體模型,更接近人類面向?qū)ο髮?shí)體的思維方式 全面支持對(duì)象、類、子類、子類型、關(guān)系、有效性規(guī)則、數(shù)據(jù)集、地理數(shù)據(jù)庫(kù)等概念 對(duì)象類型覆蓋

6、GIS和CAD對(duì)模型的雙重要求 要素可描述任意幾何復(fù)雜度的實(shí)體 完善的關(guān)系定義 支持多層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 支持幾何數(shù)據(jù)的矢量表示法和解析表示法 ,6.2 空間數(shù)據(jù)管理,空間數(shù)據(jù)特征 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限性 空間數(shù)據(jù)管理模式,1 空間特征：一般需要建立空間索引。 2 非結(jié)構(gòu)化特征： 結(jié)構(gòu)化的，即滿足第一范式:每條記錄定長(zhǎng)，而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)變長(zhǎng)，對(duì)象包含一個(gè)或多個(gè)對(duì)象，需要嵌套記錄。 3 空間關(guān)系特征： 拓?fù)鋽?shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護(hù)增加了復(fù)雜性。 4 分類編碼特征： 一種地物類型對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。 5 海量數(shù)據(jù)特征。,空間數(shù)據(jù)特征,？,6.3

7、空間數(shù)據(jù)管理,空間數(shù)據(jù)特征 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限性 空間數(shù)據(jù)管理模式,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限性,不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符 實(shí)體類型較少，并且難以充分表達(dá)實(shí)體間復(fù)雜的空間關(guān)系 存貯的數(shù)據(jù)通常為定長(zhǎng)記錄的數(shù)據(jù) 只操縱和查詢文字和數(shù)字信息，難以處理圖形信息,？,6.3 空間數(shù)據(jù)管理,空間數(shù)據(jù)特征 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)的局限性 空間數(shù)據(jù)管理模式,空間數(shù)據(jù)管理模式,基于文件管理 混合結(jié)構(gòu)模型 擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理,缺點(diǎn)： 1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時(shí)，應(yīng)用程序也隨之改變。 2）以文件形式共享，當(dāng)多個(gè)程序共享一數(shù)據(jù)文件時(shí)，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的

8、許可。不能達(dá)到真正的共享，即數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄項(xiàng)的共享。,GIS應(yīng)用1,空間、屬性數(shù)據(jù)文件1,GIS應(yīng)用2,空間、屬性數(shù)據(jù)文件2,空間、屬性數(shù)據(jù)文件3,基于文件的管理方式,X,兩個(gè)子系統(tǒng)分別存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。記錄之間通過關(guān)鍵字聯(lián)系,混合結(jié)構(gòu)模型,關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù),空間數(shù)據(jù)文件,混合結(jié)構(gòu)模型,采用文件與RDBMS的混合管理模式中圖形數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺少基本的功能。因而GIS軟件商需要尋找能同時(shí)管理圖形和屬性數(shù)據(jù)的商用DBMS。,GIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個(gè)能容納、管理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。,擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型（I）全關(guān)

9、系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理,原理：將圖形數(shù)據(jù)的變長(zhǎng)部分處理成Binary Block字段（多媒體或變長(zhǎng)文本）。省去大量關(guān)系連接操作，但Binary Block的讀寫效率比定長(zhǎng)的屬性字段慢得多，特別涉及對(duì)象的嵌套時(shí)，更慢。,Oracle Long Raw Informix 4.x BLOB Foxfro General SQL Server IMAGE,GIS軟件商進(jìn)行的擴(kuò)展 ESRI ArcSDE MapInfo Spatial Ware,DBMS軟件商在RDBMS中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲(chǔ)和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Informix 和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點(diǎn)、線、面、

10、圓等空間對(duì)象的函數(shù)。 主要解決空間數(shù)據(jù)的變長(zhǎng)記錄的管理，效率比二進(jìn)制塊的管理高得多，但仍沒有解決對(duì)象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)GIS要求再定義，使用上受一定限制。,擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型（II）對(duì)象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理,數(shù)據(jù)庫(kù)軟件商進(jìn)行的擴(kuò)展 Oracle Oracle Spatial,面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理，它不僅支持變長(zhǎng)記錄，且支持對(duì)象的嵌套，信息的繼承和聚集。 允許用戶定義對(duì)象和對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及它的操作。可以將空間對(duì)象根據(jù)需要，定義合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶和不帶拓?fù)洌?dāng)帶拓?fù)鋾r(shí)，涉及對(duì)象的嵌套、對(duì)象的連接和對(duì)象與信息聚集。 面向?qū)ο?/p>

11、的地理數(shù)據(jù)模型的核心是對(duì)復(fù)雜對(duì)象的模擬和操作。,面向?qū)ο髷?shù)據(jù)管理,當(dāng)前已推出了若干OODBMS如O2等，也出現(xiàn)一個(gè)基于OODBMS的，但由于OODBMS價(jià)格昂貴且技術(shù)還不成熟，目前在領(lǐng)域不太通用。 基于對(duì)象關(guān)系的SDBMS將可能成為GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展的主流。,6.1 數(shù)據(jù)的管理 6.2 空間數(shù)據(jù)的管理 6.5 空間索引 6.6 元數(shù)據(jù) 6.7 柵格與影像數(shù)據(jù)庫(kù) 6.8 時(shí)空數(shù)據(jù)模型,第六章 空間數(shù)據(jù)管理,6.5 空間索引,什么是空間索引 對(duì)存儲(chǔ)在介質(zhì)上的數(shù)據(jù)位置信息的描述 為什么要建立空間索引 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的限制 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)索引技術(shù)不適用于空間數(shù)據(jù),？,6.5 空間索引,矩形范圍索引,單

12、元格網(wǎng)索引,R樹索引,四叉樹索引,矩形范圍索引,在記錄每個(gè)空間對(duì)象的坐標(biāo)時(shí)，同時(shí)記錄每個(gè)空間對(duì)象最大最小坐標(biāo)。這樣，在檢索空間對(duì)象時(shí)，根據(jù)空間對(duì)象的最大最小范圍，預(yù)先排除那些沒有落入檢索窗口內(nèi)的的空間對(duì)象，僅對(duì)那些最大最小范圍落在檢索窗口的空間對(duì)象進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，最后檢索出那些真正落入檢索窗口內(nèi)的空間對(duì)象。,假設(shè)外包矩形的坐標(biāo)為gxmin,gymin,gxmax,gymax，利用SQL模型查詢落在舉行范圍內(nèi)的空間要素： SELECT id0 from owner.GeoObjeTb1 WHERE (gxminXMIN) AND (gxmaxXMIN) AND (gyminYMIN) AND

13、(gymaxYMIN),這種方法沒有建立真正的空間索引文件，而是在空間對(duì)象的數(shù)據(jù)文件中增加了最大最小范圍一項(xiàng)，它主要靠空間計(jì)算來進(jìn)行判斷。當(dāng)空間要素不超過30萬(wàn)個(gè)時(shí)，初次過濾速度快，所以矩形范圍索引方法適用于中小型數(shù)據(jù)量的GIS。,單元格網(wǎng)索引,也叫柵格索引，它是將工作區(qū)按照一定的規(guī)則劃分成格網(wǎng)，然后記錄每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)所包含的空間對(duì)象。通常建立一個(gè)平行于坐標(biāo)軸的正方形數(shù)字網(wǎng)格，把整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)值空間劃分成3232（或6464）的正方形網(wǎng)格，建立空間索引文件。,空間索引,對(duì)象索引,A,B,C,行,列,6.6.1 元數(shù)據(jù)的定義及作用,定義： 地理的數(shù)據(jù)和信息資源的描述性信息。它通過對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容、

14、質(zhì)量、條件和其他特征進(jìn)行描述與說明，以便人們有效地定位、評(píng)價(jià)、比較、獲取和使用與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)。 作用： 用來組織和管理空間信息，并挖掘空間信息資源。 幫助數(shù)據(jù)使用者查詢所需空間信息。 組織和維護(hù)一個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)的投資。 用來建立空間信息的數(shù)據(jù)目錄和數(shù)據(jù)交換中心。 提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的信息。,6.6.2 元數(shù)據(jù)的分類,按照元數(shù)據(jù)所描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容分： 數(shù)據(jù)集系列元數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù) 要素類型和要素實(shí)例元數(shù)據(jù) 屬性類型和屬性實(shí)例元數(shù)據(jù) 屬性類型和屬性實(shí)例元數(shù)據(jù),6.6.3 元數(shù)據(jù)的內(nèi)容,第一層是目錄層，主要用于對(duì)數(shù)據(jù)集信息進(jìn)行宏觀描述，適合在數(shù)字地球的國(guó)家級(jí)空間信息交換中心或區(qū)域以及全球范圍內(nèi)管理和查

15、詢空間信息時(shí)使用。 第二層是空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的主體，由八個(gè)基本內(nèi)容部分和四個(gè)引用部分組成。,6.7 柵格與影像數(shù)據(jù)庫(kù),柵格數(shù)據(jù)庫(kù)可以與矢量數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)合使用，復(fù)合顯示各種專題信息 細(xì)節(jié)層次模型 金字塔及分塊顯示,時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究?jī)?nèi)容包括以下三個(gè)方面： (1)空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的表達(dá) 空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)表達(dá)的目的在于建立空間時(shí)態(tài)一體化數(shù)據(jù)模型。它涉及到時(shí)間標(biāo)志、空間時(shí)態(tài)版本的標(biāo)識(shí)、空間變化類型的定義、空間拓?fù)渑c時(shí)態(tài)拓?fù)洹⒖臻g時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及存取策略等內(nèi)容。,(2)空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的更新 空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的更新研究空間數(shù)據(jù)更新的類型、操作方法，更新對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中空間和時(shí)態(tài)拓?fù)涞挠绊懀约巴負(fù)渲亟ǖ葐栴}。 (3)空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的查詢 空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的查詢探討空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的各種跟蹤算法，多維信息的復(fù)合、分析、可視化等。,6.8 時(shí)空數(shù)據(jù)模型,6.8.2 時(shí)態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型,1時(shí)間片快照模型 常規(guī)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型(如遙感圖像數(shù)據(jù)的采集方式)即屬于時(shí)間片快照模型。它是用一系列狀態(tài)對(duì)應(yīng)的地理數(shù)據(jù)來反映地理現(xiàn)象的時(shí)空演化過程。其中可分為矢量快照模型和柵格快照模型兩類。,（1）優(yōu)點(diǎn) 可以直接在當(dāng)前的地理信息系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫(kù)總是處于有效狀態(tài)。 （2）缺點(diǎn)