第7章 空间数据库系统设计1
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第七章 空间数据库系统设计
一、空间数据 二、空间数据的逻辑预处理 三、空间数据库的概念设计 四、空间数据库的逻辑设计 五、空间数据库的功能设计 六、空间数据采集建库
一、空间数据
地图 空间数据 现实世界 特征 关系 行为 选择 抽象 综合 测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达 遥感影像
观察
GIS数据类型 GIS数据类型
数字栅格地图（DRG） 数字栅格地图（DRG） 数字线划地图（DLG） 数字线划地图（DLG） 数字正射影像图（DOM） 数字正射影像图（DOM） 数字高程模型（DEM） 数字高程模型（DEM） 属性数据
是什么，判读和考察 详细描述信息
DRG
DLG
DOM
DEM
（一）空间数据的特征
空间特征 比例尺、坐标系和投影类型等 GIS特有的数据特征 刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征 表示：绝对描述—坐标（直角坐标、经纬度） 相对描述—空间关系 时间特征 属性特征 其中，时间特征和属性特征是一般信息系统中的数据都 具有的，而空间特征是空间数据独有的。
国家标准《国土基础信息数据分类与代码》 国家标准《国土基础信息数据分类与代码》 （GB/T 13923-92） 13923-92）
40000 交通 41000 铁路 42000 公路 43000 铁路和公路主要构筑物 44000 航运 45000 港口 46000 空运
（2）空间数据的编码标准
路名序号（数字） 干路序号（数字） 走向序号（数字） 分类码（数字） 方位区码（字符）
中国湖泊信息系统湖泊代码编制
B SS C NNN
（1）B:一位字母码表示流域（或内流区），取值为A-Z. B:一位字母码表示流域（或内流区），取值为A 如 A: 黑龙江、B: 辽河、C: 海河、D: 黄河、E: 淮河、F: 长江、G: 浙、 黑龙江、B: 辽河、C: 海河、D: 黄河、E: 淮河、F: 长江、G: 台诸河流域、H: 台诸河流域、H: 珠江。。。。。。 Z：其他地区封闭湖。 （2）SS: 二位数字码表示湖泊所属省、自治区、直辖市。取GB2260— 二位数字码表示湖泊所属省、自治区、直辖市。取GB2260— 91《中华人民共和国行政区划码》的后两位数，如32：江苏。 91《中华人民共和国行政区划码》的后两位数，如32：江苏。 （3）C: 一位字母码表示湖泊水化学性质等状况，取值A-G 一位字母码表示湖泊水化学性质等状况，取值A A: 淡水湖（湖水矿化度ρ<1g/L）； B: 微咸水湖（ρ：1--35g/L）； 淡水湖（湖水矿化度ρ<1g/L）； 微咸水湖（ρ --35g/L）； C: 咸水湖（ρ：35--50g/L）； D: 盐湖（ρ >50g/L）；E: 干盐湖（地 咸水湖（ρ 35--50g/L）； 盐湖（ρ >50g/L）；E: 下有晶间卤水或固体岩矿，是重要的沉积矿床）；F:湖水化学性质不明 下有晶间卤水或固体岩矿，是重要的沉积矿床）；F:湖水化学性质不明 湖泊；G: 湖泊；G: 时令湖（西部地区季节性蓄水的湖泊）。 （4）NNN:三位数字码表示湖泊面积大小的范围，分为5级：001—009： NNN:三位数字码表示湖泊面积大小的范围，分为5级：001—009： 面积>1000km 面积>1000km2 ；101—199：面积为500--1000km2 ；201—299： 101—199：面积为500--1000km 201—299： 面积为100--500km 面积为100--500km2 ；301—499：面积为10--100km2 ；401—999： 301—499：面积为10--100km 401—999： 面积为1--10km 面积为1--10km2。
我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯－克吕格投影。 1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°分带方案，全球共分为 60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共含11个投影 带；1:1万比例尺图采用3°分带方案，全球共120个带。 在高斯克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y 轴，两轴的交点为坐标原点。我国在北半球，X坐标皆为正 值。Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为 了避免Y坐标出现负值，通常将各带的坐标纵轴西移500千米， 即将所有Y值都加500千米。
（二）空间数据的规范与标准
空间数据的规范与标准包括以下内容： 空间数据的分类 空间数据的编码标准 空间元数据标准
（1）空间数据的分类
目的：为了便于计算机存储、编码和检索空间数据。 目的：为了便于计算机存储、编码和检索空间数据。
方法：一般采用宏观的全国分类系统与 方法：一般采用宏观的全国分类系统与详细的专业分 类系统相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须 类系统相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须 能归并和综合到高一级的分类系统之中。
投影
含义：不同的坐标系可以通过地图投影来建立联系，即地球 表面任一由地理坐标（φ,λ）确定的点，在平面上必然有一 个由平面直角坐标（x,y）确定的点与它相对应。
如何选择地图投影类型？
•
首先是经纬线形状和变形性质能否满足GIS对数据的 要求；
•
其次是投影的变形要小且分布均匀，使等变形线大致 与区域轮廓一致；
• • •
编码按国家的规范和标准执行； 编码按国家的规范和标准执行； 杜绝多义性； 码位不宜过长。
道路编码方案示例
市区道路编码方案：道
* * * * ***
路编码由五种道路属性 组成，例如道路编码 “E123005”，其中， E123005” “E”代表方位区码， “1”代表分类码，“2” 代表分类码，“ 代表走向序号，“ 代表走向序号，“3” 代表干路序号，“005” 代表干路序号，“005” 代表路名序号。
比例尺
含义： 指空间数据库入库前原始图件的比例尺。数字化后 指空间数据库入库前原始图件的比例尺。数字化后 的地图可在一定范围内按任意比例尺显示。
如何确定？ 空间数据库的比例尺通常取决于用户对空间数据的精度要 空间数据库的比例尺通常取决于用户对空间数据的精度要 求及所研究区域的大小。 精度要求越高，地图比例尺就越大，内容愈详细，数字化 工作量和存储量也就越大。
将空间数据分类的结果用一种易于被计算机和人识别的 符号体系表示出来的过程，是人们统一认识、统一观点 符号体系表示出来的过程，是人们统一认识、统一观点 和相互交换信息的一种技术手段。 编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组 编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组 有序排列的符号。 原则：
（一）分幅
当GIS空间数据库的比例尺较大时，图幅的范围也就较 大，为了便于数据的存储、检索、显示与分析，有必要 对整个地图进行分幅。
分幅的方式可以是按矩形，也可以是按行政区划。还可 按城市管理分幅（如电信分幅、污水系统分幅、消防分 幅等）、交通管理分幅、邮政分幅、环保分幅等。
矩形分幅示意图
118500,21000 MAP1 MAP4 M AP7 MAP2 MAP5 MAP8 121500,21000 MAP3 MAP6 MAP9 MAP10 121500,17500 1平方公里分幅图 1：1000图幅分幅图 720721 648649 576577 722723 650651 578579 724725 652653 580581 336337
Baidu Nhomakorabea 坐标系
空间数据库中常用的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系。 空间数据库中常用的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系。
地理坐标系
描述：采用经纬度（φ,λ） 描述：采用经纬度（φ,λ）来确定地球表面上任意一点的 位置。 格林威治天文台的子午面 格林威治天文台的子午面 应用领域：一般应用于空间位置要求很明确的GIS中。因 应用领域：一般应用于空间位置要求很明确的GIS中。因 为经纬度不仅能标示空间对象在地球表面上的位置，还能 显示其地理方位以及所处的时区、两地间的时差等。 显示其地理方位以及所处的时区、两地间的时差等。
地球表面
地面点的高程 地球的经线和纬线
平面直角坐标系
描述：首先定义一个原点（0,0）及x 描述：首先定义一个原点（0,0）及x，y轴方向，然后通 过（x,y） 过（x,y）值确定某个地理实体的位置。 应用领域：适用于大比例尺小区域的GIS应用。因为在该 应用领域：适用于大比例尺小区域的GIS应用。因为在该 坐标系中，统计面积、距离量算等较为方便，在测绘中应 坐标系中，统计面积、距离量算等较为方便，在测绘中应 用较广，如房产测绘等。 我国大地控制点的坐标系有1954年北京坐标系和1980年 我国 西安坐标系。 实际应用中可自定义地方坐标系。 实际应用中可自定义地方坐标系。
在规划国土样区系 统中采用的按矩形 分幅方法分别按格 网大小分幅：一是 按原有1:1000的图 按原有1:1000的图 幅分幅，另一种按1 幅分幅，另一种按1 平方公里分幅。
1180500,18000
分幅处理应注意问题
（3）空间元数据标准
定义：指描述空间数据的数据，它描述空间数据集的内容、 质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其它特 征。是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化 征。是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化 的保证，在一定程度上为空间数据的质量提供了保障。 分类：
•
管理元数据：是对GIS源数据及其内容、主题、数据转换 管理元数据：是对GIS源数据及其内容、主题、数据转换 和各种操作信息的描述。 用户元数据：帮助用户查询、理解信息，并了解这些数 据的组织方式等。
•
再次就是经纬网形状不复杂，便于识别和投影计算、 转换等。
不同变形性质投影类型的比较
投影类型 特点 适用领域
方位准确，小区域的 航空、航海、气象、洋流和军事 等角投影 图形能与实地相似 等方面 行政区划、自然或经济区划、人 等积投影 面积正确，方便分析 口密度、土地利用、农业、经济 信息间的对比关系 和某种自然现象分布等方面 等距方位 距离准确，方便对一 城市防空、地震台、雷达站等方 投影 定半径范围进行控制 面
•
我国元数据标准建议草案主体组成 我国元数据标准建议草案主体组成
标识信息 数据质量信息 空间数据表示信息 数据集继承关系 空间参照信息 实体和属性信息 数据集发行信息 元数据参考信息 引 用 部 分 引用信息 时间范围信息 联系信息 地址信息 标识空间数据的名称、由谁开发的、是关于哪个区域的、包括的 专题、现势性如何、对数据的使用和获取有何限制等 属性精度、逻辑一致性、完备性报告、空间位置精度和垂直精度 报告等 空间表示类型、矢量空间表示信息、栅格空间表示类型和影像空 间表示类型等 数据源信息、数据源范围和处理步骤等 空间参照系类型、地理标识码参照系统、水平坐标系统定义和垂 直坐标系统定义等 实体类型定义、类型名称、类型标识码、属性定义、属性名称和 属性标识码等 发行部门、发行日期、订购程序等 元数据日期信息、联系地址、限制条件和安全信息等 标题、作者、参考时间、出版信息和版本等 起始和结束日期等 联系人、联系地址和联系单位等 国家、省、市、县、邮编、联系电话、电子邮件地址和网址等
高程坐标系
在GIS应用中需进行高程分析。应考虑空间数据所选用的 GIS应用中需进行高程分析。应考虑空间数据所选用的 高程系，我国的高程系有1956年黄海高程系和1985年国 高程系，我国的高程系有1956年黄海高程系和1985年国 家高程系。 家高程系。 在利用一些旧的地形图数据的时候可能需要进行高程系的 在利用一些旧的地形图数据的时候可能需要进行高程系的 转换。 转换。
标 准 部 分
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二、空间数据的逻辑预处理
（一）分幅 （二）分层 （三）分专题要素
返回
空间数据分幅和分层示意图
分幅（水平方向） tile1 tile2 tile3 tile4 分 层 ( ) tile1 tile2 tile3 tile4 tile1 tile2 tile3 tile4 tile1 tile2 tile3 tile4 …… 植被层(Layer1) 水系层(Layer2) 居民地层(Layer3) ……
一、空间数据 二、空间数据的逻辑预处理 三、空间数据库的概念设计 四、空间数据库的逻辑设计 五、空间数据库的功能设计 六、空间数据采集建库
一、空间数据
地图 空间数据 现实世界 特征 关系 行为 选择 抽象 综合 测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达 遥感影像
观察
GIS数据类型 GIS数据类型
数字栅格地图（DRG） 数字栅格地图（DRG） 数字线划地图（DLG） 数字线划地图（DLG） 数字正射影像图（DOM） 数字正射影像图（DOM） 数字高程模型（DEM） 数字高程模型（DEM） 属性数据
是什么，判读和考察 详细描述信息
DRG
DLG
DOM
DEM
（一）空间数据的特征
空间特征 比例尺、坐标系和投影类型等 GIS特有的数据特征 刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征 表示：绝对描述—坐标（直角坐标、经纬度） 相对描述—空间关系 时间特征 属性特征 其中，时间特征和属性特征是一般信息系统中的数据都 具有的，而空间特征是空间数据独有的。
国家标准《国土基础信息数据分类与代码》 国家标准《国土基础信息数据分类与代码》 （GB/T 13923-92） 13923-92）
40000 交通 41000 铁路 42000 公路 43000 铁路和公路主要构筑物 44000 航运 45000 港口 46000 空运
（2）空间数据的编码标准
路名序号（数字） 干路序号（数字） 走向序号（数字） 分类码（数字） 方位区码（字符）
中国湖泊信息系统湖泊代码编制
B SS C NNN
（1）B:一位字母码表示流域（或内流区），取值为A-Z. B:一位字母码表示流域（或内流区），取值为A 如 A: 黑龙江、B: 辽河、C: 海河、D: 黄河、E: 淮河、F: 长江、G: 浙、 黑龙江、B: 辽河、C: 海河、D: 黄河、E: 淮河、F: 长江、G: 台诸河流域、H: 台诸河流域、H: 珠江。。。。。。 Z：其他地区封闭湖。 （2）SS: 二位数字码表示湖泊所属省、自治区、直辖市。取GB2260— 二位数字码表示湖泊所属省、自治区、直辖市。取GB2260— 91《中华人民共和国行政区划码》的后两位数，如32：江苏。 91《中华人民共和国行政区划码》的后两位数，如32：江苏。 （3）C: 一位字母码表示湖泊水化学性质等状况，取值A-G 一位字母码表示湖泊水化学性质等状况，取值A A: 淡水湖（湖水矿化度ρ<1g/L）； B: 微咸水湖（ρ：1--35g/L）； 淡水湖（湖水矿化度ρ<1g/L）； 微咸水湖（ρ --35g/L）； C: 咸水湖（ρ：35--50g/L）； D: 盐湖（ρ >50g/L）；E: 干盐湖（地 咸水湖（ρ 35--50g/L）； 盐湖（ρ >50g/L）；E: 下有晶间卤水或固体岩矿，是重要的沉积矿床）；F:湖水化学性质不明 下有晶间卤水或固体岩矿，是重要的沉积矿床）；F:湖水化学性质不明 湖泊；G: 湖泊；G: 时令湖（西部地区季节性蓄水的湖泊）。 （4）NNN:三位数字码表示湖泊面积大小的范围，分为5级：001—009： NNN:三位数字码表示湖泊面积大小的范围，分为5级：001—009： 面积>1000km 面积>1000km2 ；101—199：面积为500--1000km2 ；201—299： 101—199：面积为500--1000km 201—299： 面积为100--500km 面积为100--500km2 ；301—499：面积为10--100km2 ；401—999： 301—499：面积为10--100km 401—999： 面积为1--10km 面积为1--10km2。
我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯－克吕格投影。 1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°分带方案，全球共分为 60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共含11个投影 带；1:1万比例尺图采用3°分带方案，全球共120个带。 在高斯克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y 轴，两轴的交点为坐标原点。我国在北半球，X坐标皆为正 值。Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为 了避免Y坐标出现负值，通常将各带的坐标纵轴西移500千米， 即将所有Y值都加500千米。
（二）空间数据的规范与标准
空间数据的规范与标准包括以下内容： 空间数据的分类 空间数据的编码标准 空间元数据标准
（1）空间数据的分类
目的：为了便于计算机存储、编码和检索空间数据。 目的：为了便于计算机存储、编码和检索空间数据。
方法：一般采用宏观的全国分类系统与 方法：一般采用宏观的全国分类系统与详细的专业分 类系统相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须 类系统相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须 能归并和综合到高一级的分类系统之中。
投影
含义：不同的坐标系可以通过地图投影来建立联系，即地球 表面任一由地理坐标（φ,λ）确定的点，在平面上必然有一 个由平面直角坐标（x,y）确定的点与它相对应。
如何选择地图投影类型？
•
首先是经纬线形状和变形性质能否满足GIS对数据的 要求；
•
其次是投影的变形要小且分布均匀，使等变形线大致 与区域轮廓一致；
• • •
编码按国家的规范和标准执行； 编码按国家的规范和标准执行； 杜绝多义性； 码位不宜过长。
道路编码方案示例
市区道路编码方案：道
* * * * ***
路编码由五种道路属性 组成，例如道路编码 “E123005”，其中， E123005” “E”代表方位区码， “1”代表分类码，“2” 代表分类码，“ 代表走向序号，“ 代表走向序号，“3” 代表干路序号，“005” 代表干路序号，“005” 代表路名序号。
比例尺
含义： 指空间数据库入库前原始图件的比例尺。数字化后 指空间数据库入库前原始图件的比例尺。数字化后 的地图可在一定范围内按任意比例尺显示。
如何确定？ 空间数据库的比例尺通常取决于用户对空间数据的精度要 空间数据库的比例尺通常取决于用户对空间数据的精度要 求及所研究区域的大小。 精度要求越高，地图比例尺就越大，内容愈详细，数字化 工作量和存储量也就越大。
将空间数据分类的结果用一种易于被计算机和人识别的 符号体系表示出来的过程，是人们统一认识、统一观点 符号体系表示出来的过程，是人们统一认识、统一观点 和相互交换信息的一种技术手段。 编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组 编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组 有序排列的符号。 原则：
（一）分幅
当GIS空间数据库的比例尺较大时，图幅的范围也就较 大，为了便于数据的存储、检索、显示与分析，有必要 对整个地图进行分幅。
分幅的方式可以是按矩形，也可以是按行政区划。还可 按城市管理分幅（如电信分幅、污水系统分幅、消防分 幅等）、交通管理分幅、邮政分幅、环保分幅等。
矩形分幅示意图
118500,21000 MAP1 MAP4 M AP7 MAP2 MAP5 MAP8 121500,21000 MAP3 MAP6 MAP9 MAP10 121500,17500 1平方公里分幅图 1：1000图幅分幅图 720721 648649 576577 722723 650651 578579 724725 652653 580581 336337
Baidu Nhomakorabea 坐标系
空间数据库中常用的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系。 空间数据库中常用的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系。
地理坐标系
描述：采用经纬度（φ,λ） 描述：采用经纬度（φ,λ）来确定地球表面上任意一点的 位置。 格林威治天文台的子午面 格林威治天文台的子午面 应用领域：一般应用于空间位置要求很明确的GIS中。因 应用领域：一般应用于空间位置要求很明确的GIS中。因 为经纬度不仅能标示空间对象在地球表面上的位置，还能 显示其地理方位以及所处的时区、两地间的时差等。 显示其地理方位以及所处的时区、两地间的时差等。
地球表面
地面点的高程 地球的经线和纬线
平面直角坐标系
描述：首先定义一个原点（0,0）及x 描述：首先定义一个原点（0,0）及x，y轴方向，然后通 过（x,y） 过（x,y）值确定某个地理实体的位置。 应用领域：适用于大比例尺小区域的GIS应用。因为在该 应用领域：适用于大比例尺小区域的GIS应用。因为在该 坐标系中，统计面积、距离量算等较为方便，在测绘中应 坐标系中，统计面积、距离量算等较为方便，在测绘中应 用较广，如房产测绘等。 我国大地控制点的坐标系有1954年北京坐标系和1980年 我国 西安坐标系。 实际应用中可自定义地方坐标系。 实际应用中可自定义地方坐标系。
在规划国土样区系 统中采用的按矩形 分幅方法分别按格 网大小分幅：一是 按原有1:1000的图 按原有1:1000的图 幅分幅，另一种按1 幅分幅，另一种按1 平方公里分幅。
1180500,18000
分幅处理应注意问题
（3）空间元数据标准
定义：指描述空间数据的数据，它描述空间数据集的内容、 质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其它特 征。是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化 征。是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化 的保证，在一定程度上为空间数据的质量提供了保障。 分类：
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管理元数据：是对GIS源数据及其内容、主题、数据转换 管理元数据：是对GIS源数据及其内容、主题、数据转换 和各种操作信息的描述。 用户元数据：帮助用户查询、理解信息，并了解这些数 据的组织方式等。
•
再次就是经纬网形状不复杂，便于识别和投影计算、 转换等。
不同变形性质投影类型的比较
投影类型 特点 适用领域
方位准确，小区域的 航空、航海、气象、洋流和军事 等角投影 图形能与实地相似 等方面 行政区划、自然或经济区划、人 等积投影 面积正确，方便分析 口密度、土地利用、农业、经济 信息间的对比关系 和某种自然现象分布等方面 等距方位 距离准确，方便对一 城市防空、地震台、雷达站等方 投影 定半径范围进行控制 面
•
我国元数据标准建议草案主体组成 我国元数据标准建议草案主体组成
标识信息 数据质量信息 空间数据表示信息 数据集继承关系 空间参照信息 实体和属性信息 数据集发行信息 元数据参考信息 引 用 部 分 引用信息 时间范围信息 联系信息 地址信息 标识空间数据的名称、由谁开发的、是关于哪个区域的、包括的 专题、现势性如何、对数据的使用和获取有何限制等 属性精度、逻辑一致性、完备性报告、空间位置精度和垂直精度 报告等 空间表示类型、矢量空间表示信息、栅格空间表示类型和影像空 间表示类型等 数据源信息、数据源范围和处理步骤等 空间参照系类型、地理标识码参照系统、水平坐标系统定义和垂 直坐标系统定义等 实体类型定义、类型名称、类型标识码、属性定义、属性名称和 属性标识码等 发行部门、发行日期、订购程序等 元数据日期信息、联系地址、限制条件和安全信息等 标题、作者、参考时间、出版信息和版本等 起始和结束日期等 联系人、联系地址和联系单位等 国家、省、市、县、邮编、联系电话、电子邮件地址和网址等
高程坐标系
在GIS应用中需进行高程分析。应考虑空间数据所选用的 GIS应用中需进行高程分析。应考虑空间数据所选用的 高程系，我国的高程系有1956年黄海高程系和1985年国 高程系，我国的高程系有1956年黄海高程系和1985年国 家高程系。 家高程系。 在利用一些旧的地形图数据的时候可能需要进行高程系的 在利用一些旧的地形图数据的时候可能需要进行高程系的 转换。 转换。
标 准 部 分
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二、空间数据的逻辑预处理
（一）分幅 （二）分层 （三）分专题要素
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空间数据分幅和分层示意图
分幅（水平方向） tile1 tile2 tile3 tile4 分 层 ( ) tile1 tile2 tile3 tile4 tile1 tile2 tile3 tile4 tile1 tile2 tile3 tile4 …… 植被层(Layer1) 水系层(Layer2) 居民地层(Layer3) ……