空间数据组织与管理

目标标识 所有者 建筑日期 建筑单位 建筑面积 结构
……
地物类型特征与制图属性 地物编码 地物名称 几何类型 制图颜色 制图符号编码 属性表明
矢量数据结构：特点
用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性 隐含 用拓扑关系描述空间对象之间的关系 面向目标操作，精度高，数据冗余度小 与遥感等图象数据难以结合 输出图形质量号，精度高
C
A B 重 要 性 面 积 占 优
A
连续分布地理要素
C
具有特殊意义 的较小地物
A
分类较细、 地物斑块较小
AB
栅格数据结构：压缩编码方案
1 2 3 4 5 6 7 8 1 A A A A A A A R 2 A A A A A R R A 3 A A A A R A A A 4 A R R R A A A A 5 R A A A G G G A 6 A A G G G G G A 7 A A G G G G G A 8 A A A A G A A A
点号 1 2 … n X 11 33 … 55 Y 22 44 … 66
空间对象编码 唯一 连接几何和属性数据
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
矢量数据表达—拓扑数据结构
不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系 表达对象：关联关系 表达方式
全显式表达 部分显式表达
拓扑关系物理实现
直接存储 串行指针
矢量数据表达考虑内容
矢量数据自身的存储和管理 几何数据和属性数据的联系 空间对象的空间关系（拓扑关系）
矢量数据表达
简单数据结构 拓扑数据结构 属性数据组织
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
矢量数据表达—简单数据结构
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不 记录拓扑关系。又称面条结构。 存储：
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
拓扑结构：物理实现
串行指针
面-弧、点-弧：变长记录，不方便直接存储 POLYVRT（美国计算机图形及空间分析实验 室） TIGER（美国人口调查局）
直接存储
Arc/Info、GeoStar
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
拓扑结构：拓扑关系与数据共享
维护数据的一致性
面-弧拓扑 弧-点拓扑 点-弧拓扑 弧-面拓扑
面 弧 点 弧
弧段 起点 弧段 左面 右面 终点
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
拓扑结构：部分显式表达
用上述部分表格表示空间目标的拓扑关 系 System：面-弧 、弧-点 DIME：弧-点、弧-面
目前商用GIS还没有超出上述四个表格的 拓扑关系
GIS中引入空间索引的必要性
工作区建立 查询、显示 数据提取
常见空间索引方法
对象范围索引 格网索引 四叉树索引 R树和R+树索引
空间索引：对象范围索引
空间对象集合
Xmax
ID
Ymax
Xmax
Xmin
Ymax
Ymin
5
4
1
6
Ymin
4
Xmin
1
2 3 …
…
… … …
…
… … …
…
… … …
…
… … …
3
2
XN YW
Xmax≥XN OR Xmin≤XS OR Ymax≥YE OR Ymin≤YW 空间对象不被检索
块状编码 四叉树编码
NW NE SW SE
G GGG AGGA AG AA A
栅格数据结构：数据分层
建筑物
Z
森林
土壤 地貌
Y
X
栅格数据结构：数据组织
栅格数据文件 像元1 X坐标 Y坐标 层1属性值 层2属性值 … 层n属性值 像元2 … 像元n 层2 … 层n 层1 栅格数据文件 像元1 X,Y,属性值 像元2 X,Y,属性值 … … 栅格数据文件 层1 多边形1 属性值 像元1坐标 … 像元n坐标 多边形N
获取方式：
遥感数据 图片扫描数据 矢量数据转换 手工方式
栅格数据坐标系 栅格数据压缩编码方案 栅格数据的分层 栅格数据的组织方法 栅格数据特点
面 线 点
栅格数据结构：坐标系与描述参数
格网方向
格网分辨率
X：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS） Y：列
栅格数据结构：单元值确定
GIS界面 空间数据处理 DBMS 扩充实体类型 （点、线、面、圆等）
空间 数据库
GIS空间数据组织
Arc/Info
并发控制
工作层
MGE GeoStar
研究区域
GIS工程
空间索引
工作区1
地物类 逻辑层
工作区2
MGE GeoStar
工作区n
属性数据
Arc/Info
空间数据索引
空间索引概念
根据空间对象位置和形状或空间对象的某种空间关系，按一 定顺序排列的数据结构，包含空间对象的概要信息，以提高 空间操作的效率
栅 格 数 据 结 构
定义
以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间 对象的属性特征。或者说，栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的 行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。 每个栅格单元只能存在一个值。
对于栅格数据结构
点：为一个像元 线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。 面：聚集在一起的相邻像元集合。
独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成
特征Βιβλιοθήκη Baidu
无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性 和一致性 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦
适用范围：
制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
•面向目标，不仅能表达属性， 而且能方便的记录每个目标 的具体属性信息
缺点：
•图形数据量大 •用大像元减少数据量时，精 度和信息量受损 •地图输出不美观 •难以建立网络连接关系 •投影变换比较费时
缺点：
•数据结构复杂 •矢量叠置较为复杂
•数学模拟比较困难
•技术复杂，特别是软硬件
数 据 结 构 选 择 原 则
a
a
b
属性偏差
矢量数据
栅格数据 优点：
•数据结构简单 •空间数据的叠置和组合方便 •各类空间分析很易于进行 •数学模拟方便
矢 量 栅 格 数 据 较 比
优点：
•表示地理数据的精度较高
•严密的数据结构，数据量小 •完整的描述空间关系 •图形输出精确美观
•图形数据和属性数据的恢复、 更新、综合都能实现
拓扑关系与数据共享 采用拓扑关系的原则
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
拓扑结构：全显式表达
M 面 弧 点 N3 B1 B2 B3 B4
N2 A1 B1 N1 A3 B3 A4 A7 N4 N5 B4 A8 A2 A5 B2 A6
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 N1 N2 N3 N4 N5
数据模型
层次模型 网络模型 关系模型
空间数据管理：空间数据库（续）
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
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 分类编码特征 海量数据特征
要素还是位置？ 可获取的数据 定位要素的必要精度 需要什么类型的要素 需要什么类型的拓扑关联 所需空间分析类型 生产地图类型
空间数据管理：空间数据库
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
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
数据库
独立编码
点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
标识码
属性码
存储方法 点: 点号文件 点位字典 线: 点号串 面: 点号串
像元n X,Y,属性值
层2 … 层n
栅格数据结构：特点
离散的量化栅格值表示空间对象 位置隐含,属性明显 数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大 几何和属性偏差 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间 的关系
几何偏差
5 4
c ac距离: 7/4 (5) 面积: 7 (6) 3 b
c
6
链式编码
5 起点行列号，单位矢量 R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3
7
4 3
2
0 1
游程长度编码
逐行编码 数据结构: 行号, 属性, 重复次数 1, A, 4, R, 1, A, 4 正方形区域为记录单元 数据结构: 初始位置, 半径, 属性 (1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…
矢 量 数 据 结 构
定义：
矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来 表达空间对象的位置。 点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 面：多个弧段组成的封闭多边形；
获取方法
定位设备（全站仪、GPS、常规测量等） 地图数字化 间接获取
栅格数据转换 空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）
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
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
属性数据 （定长记录）
GIS界面
空间数据 （变长记录）
关系表
二进制块
DBMS
空间 数据库
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 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
图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记 录号实 现。
点状 对象
目标标识 地物编码
坐
标
关联的线目标
目标标识 控制点等级
目标标识 地物编码
精度
坐 标串
测量年限 测量单位
……
空 间 对 象
线状 对象 面状 对象
起点、终点、左面、右面 修建时间 管养单位 ……
目标标识 等级 路面材料 宽度 目标标识 地物编码 边界目标号
GIS用户界面
高级语言
数据库开发语言
ID 几 何 数 据 属 性 数 据
图形用户界面 属性用户界面
图形处理 图形 文件库
DBMS 属性 数据库
早 期
图形处理
DBMS
GIS用户界面
高级语言
ODBC协议
数 数 据 据 文 库 件
图形 文件库
属性 数据库
图形处理 图形 文件库
DBMS 属性 数据库
全 关 系 式 数 据 库 管 理 方 案
传统数据库与空间数据库的比较
传统数据库
数据连续性/相关性 不连续 相关性小
空间数据库
连续 较强空间相关性
实体类型/空间关系
记录长度 查询与操作
少 简单固定
结构化 等长 文字、数字
多 复杂且不固定
非结构化 不等长 文字数字 空间图形
现行空间数据库管理方案
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。
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
拓扑结构：是否需要拓扑结构?
应用目的
制图或一般查询，可不要拓扑结构 空间分析，则应建立拓扑关系
服务对象和系统数据结构
面状目标：面-弧、弧-面 网络目标：点-弧、弧-点
矢量数据结构：属性数据表达与组织
属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征 属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格 属性表的内容取决于用户
空间数据组织 空间数据管理
空 间 数 据 组 织 与 管 理
空间数据结构
矢量数据结构 栅格数据结构
矢量、栅格结构对比 空间数据库特点 传统数据库模型及特点
层次数据模型 网络数据模型 关系数据模型
现行空间数据库管理方案
混合数据管理模式 扩展数据管理模式 统一数据管理模式