第八章 空间数据组织管理

属性数据由关系数据库管理，但是它的文件的组织 也要服从工作层、工作区和图库的要求。它有三种 组织方式：
1、与地物相对应的组织方式：一类地物对应一个属 性文件； 2、与工作区对应的组织方式：一个工作区一个属性 文件； 3、混合方式：既可以一个地物一个属性表（基本 表），同时也可以多个地物共用一个属性表（扩展 表）。
3、关系模型数据库系统
关系数据库模型（Relational Database Management System, RDBMS）是指数据 库由二维表格来构成的，采用二维表格结构 来表示实体和实体之间的联系,一个二维表格 就是一个关系。 数据库是关系的集合(也就是表格的集合)， 其基本结构包括：表格、记录和字段。
GIS数据的组织管理
GIS工程
工作区1
图幅1 工作层1 地物类1 地物1
工作区2
图幅2 工作层2 地物类2 地物2
……
…… …… …… ……
工作区m
图幅n 工作层p 地物类q 地物r
工作区、工作层、逻辑层示意图
工作区
工作层 水系 居民点 铁路 道路 ……
公路
逻辑层
高速公路 等级公路 等外公路
属性数据管理
空间数据组织的内涵
• 是空间数据模型的自然延伸
空间数据组织的内涵
• GIS软件操纵空间数据的核心
第三节
空间数据索引
空间索引:是指依据空间对象的位置和形状或者空 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。
对一个数据集做”索引“，是为了提高对这个数据集检索的效率。书的” 目录“就是这本书内容的“索引”。如果一本书没有目录，可以想象有 多么不方便„可见书的目录有多重要，索引有多重要啊！ “索引”可以很方便地实现查询功能。
环境地理信息系统
主讲人：梅琨 kunjuly@wmu.edu.cn
第八章 空间数据组织与 管理
第一节
第二节
空间数据管理的特点
空间数据库管理技术的发展
第三节
第四节
空间数据的组织
空间索引
第一节 空间数据管理的特点
为什么空间数据需要管理？
空间数据特征
1. 空间特征/ 空间关系特 征
？
空间数 据的特 征
Plain
Plain Hill
User_ID 233 234 235
0 3 25
No No Yes
Landuse Landprice Clay High Loam High Sandy Low
关系数据结构
4、面向对象的数据库模型
面向对象的数据库模型：
把面向对象的方法和数据库技术结合起来可以 使数据库系统的分析、设计最大程度地与人们对 客观世界的认识相一致。
面向对象数据库系统是为了满足新的数据库应 用需要而产生的新一代数据库系统。
空间数据管理模式的变迁
——四种模式：
1、文件-关系型模式 用文件系统管理空间数据，用关系数据库来管理 属性数据，用ID来建立图形与属性的关系。 在商业上取得巨大的成功，软件产品代表： ESRI早期产品，如Coverage的组织与管理
数据库管理系统的发展
文件系统
网状数据库管理系统
层次数据库管理系统
面象对象数据库管理系统
关系数据库管理系统
对象关系数据库管理系统
1、层次数据库系统
采用树结构来表示实体间联系的模型,其存 储的数据具有一个以上的记录类型，采用1： N连接关系描述的数据库存储方式。
User_ID 3 4 5
Area 2345.4534 3425.4532 7654.8760
2、全关系型模式 图形数据与属性数据均采关系数据库来存储，用 关系数据库连接机制来建立两者间的关联。 属性数据 （定长） 空间数据 （变长）
将空间数据的 变长部分，通 常是图形的坐 标数据，当做 一个Binary二 进制块，交由 关系型数据库 管理系统进行 存储和管理
DBMS （数据库管理系统）
数据库
空间数据和属性数据库
• 由于非结构化的空间数据非常重要，许多数据库管理系统 的软件商在关系数据库系统中进行扩展，使之能直接存储 和管理非结构化的空间数据，如Oracle、SQL Server等 都推出了空间数据管理的专用模块。
• 专用模块定义了操纵点、线、面等空间对象的API函数。 这些函数将各种空间对象的数据结构进行了预先的定义， 用户使用时必须满足它的数据结构要求，用户不能根据 GIS软件的要求再定义。
4. 多尺度 多时态特征
2. 非结构化 特征
？
？
？
？
5. 海量数据 特征
3. 多源特征 特征
这些特征都决定了需要行之有效的 方法去管理空间数据
• 空间特征与空间关系特征
传统的数据库管理技术面临挑战：图形与分析的需求
• 非结构化特征
结构化的数据库管理技术面临挑战：内模型、外模型
• 多源特征
不同类型空间数据在数据库中适应性问题
表格，平面文件，即单个表格数据库。
字段（属性）
记录
User_ID
Terrain
Slope
233 234
235
Plain
Plain Hill
0 3
25 Landuse Terrain Owner
Clay Loam
Sandy
Plain
Plain Hill
A1 A2
A3
Terrain
Slope Improved
空间索引的分类
在建立索引时，按照划分区域是否与空间对象的分布特征有
关的标准，空间索引可以分为两大类： 划分区域与空间对象分布特征无关（格网索引；四叉树索 引）； 划分区域与空间对象的分布特征有关（BSP树；KD树；KDB
树；R树及其变种；Cell树；X树；TV树）
格网索引 是指将整个研究区按照一定的范围分成大小相等的 格网，然后记录每个格网内所包含的空间实体，为 了便于建立空间索引的线性表，将每个格网按照一 定的方式进行编码，从而建立编码与实体之间的关 系。 C
User_ID 3 4 5
Soil_texture Clay Loam Sandy
User_ID 3 4 5
Land Class 2 1 3
User_ID 3 4 5
Landuse _type Rice Rice Maize
层次数据结构
2、网状模型数据库系统
采用M：N连接关系描述的数据库存储方式。 由于其空间关系复杂，因此，在GIS中并没 有广泛应用。
Peano码
26,48,50,15, 37,39,14
图 幅 数 据 的 组 织
• 当图幅增多时，如何实现对图幅的查找和管理，就涉及到 “图形库管理”
• 图库管理：让用户实现在整个区域内进行众多的图幅（分 区）、工作层的调用，图幅的拼接，图幅的剪切，跨图幅 的工作层的漫游、查询、分析和制图等。
1 2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
• 图幅数据的组织方法：GIS工程工作区图幅工作层 地物类地物 • GIS工程：GIS中将某一问题域或某一项任务称为一个 GIS工程。 • 工作区（work space）:根据问题的需要和工作方便， 根 据需要将一幅或者相邻几幅图当做一个工作单元。 • 图幅：随着GIS工程范围的扩大，必须将空间数据进行分 副管理。 • 工作层：将工作区按照实体的类型分为若干个图层，工作 层由一种或多种地物类组成。 • 地物类：类型相同的地物总称。
为什么要建立“空间索引”呢？ “空间索引”也是索引，是对空间图形集合做的一 个目录，提高在这个图形集合中查找某个图形对象 的效率。 比如说，我们在一个地图图层上进行矩形选择，确 定这个图层上哪些图元被这个矩形所完全包含呢， 在没有”空间索引“的情况下，我们会把这个图层 上的所有图元，一一拿来与这个矩形进行几何上的 包含判断，以确定到底哪些图元被完全包含在这个 矩形内。
• 对象-关系型模式的缺点
– 这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间 数据变长记录的管理，由数据库软件商进行扩 展，效率比前面所述的二进制块的管理高很多 ，但是它没有解决对象的嵌套问题，这些API 函数涉及的空间对象一般不带拓扑关系，空间 数据结构又不能由GIS用户任意定义，因此拓 扑数据结构就不能用这种对象-关系模型存储。
பைடு நூலகம்
• 多尺度、多时态
空间数据管理中难以解决的问题
• 海量数据特征
空间数据管理永恒的命题：满足大数据的应用需求
什么是空间数据管理？
空间数据管理的定义
• 基于传统的数据库技术，面向空间数据的特点， 研究数据的存储方法、索引技术和查询技术。
第二节 空间数据管理技术的发展
• 空间数据的管理技术的发展与数据库管理系统的 技术发展密切相关。 • 数据库：是指长期储存在计算机内，有组织的、 可共享的数据集合。 • 空间数据库: 也称为地理信息系统数据库，是某 一区域内关于一种或多种地理要素特征的数据集 合，是计算机物理存储介质中的地理空间数据的 总和。其特点：
• 文件-关系型模式的缺点：
– 两库分离的结构影响了执行效率并增加了构造/维护和 修改一个应用系统的复杂度，由于文件系统的管理功 能弱，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制和 数据损坏后的修复能力差； – 混合模型也限制了GIS应用的发展。空间数据无法用类 似SQL那样的操作，导致内部数据格式各种各样，系 统之间的差别也很大，这些使得数据的共享和互操作 成为首要问题。
4、面向对象型模式 面向对象模型最适应空间数据的表达和管理，它 不仅支持变长记录，还支持对象的嵌套、继承和聚 集。面向对象的空间数据库管理系统允许GIS用户定 义对象和对象的数据结构以及对它的操作。 当前已经推出了若干个面向对象的数据库管理系 统，如O2、Object store otorn等，但由于面向对象 数据库管理系统还不够成熟，价格又贵，目前在GIS 领域还不太通用。今后基于对象-关系的空间数据库 管理系统是GIS空间数据组织与管理的主流。
空间数据引擎
• 关系数据库管理系统（Oracle、SQL Server、 DB2、Access）的软件厂商不作任何扩展，由 GIS软件商在此基础上进行开发——空间数据引 擎，使之能够管理结构化的属性数据，而且还能 管理非结构化的图形数据。
空间数据库引擎（SDE, Spatial Database Engine） 空间数据引擎主要是为了解决存储在关系数据库中 的空间数据与数据库应用程序之间的接口问题。 服务器 SDE客户端 SDE服务器 处理
第三节 空间数据组织
• 空间数据组织的方法由空间数据的管理模式确定； • 四种空间数据组织方法：
– – – – 文件-关系型空间数据模式下的空间数据组织 全关系型空间数据模式下的空间数据组织 对象-关系型空间数据模式下的空间数据组织 面向对象型空间数据模式下的空间数据组织
• 核心思想
– 操作系统对文件大小的限制因素，为了进行管 理和组织，海量的空间数据文件必须遵循“由 大变小”、“化整为零”，将大文件变成小文 件的原则 – 纵向分层，横向分幅（块）
Peano码 7 55 54 60 26 48 15 实体 B C C C A A A … A B 实体
21 20 17 16 23 22 19 18 7 6 3 2 29 28 25 24 13 12 9 8 31 30 27 26 15 14 11 10 53 52 49 48 37 36 33 32 55 54 51 50 39 38 35 34 61 60 57 56 45 44 41 40 63 62 59 58 47 46 43 42
SQL引擎
数据库 RDBMS
• 典型软件：ESRI ArcSDE
• 从数据管理的角度来看，ArcSDE可看成是一个扩展的空 间数据模型，借助这一模型，我们可以用关系数据库管理 空间数据。
• 全关系型模式的缺点：
– 二进制块的读写效率比定长属性字段慢很多，特别是 牵涉对象的嵌套，速度更慢。
3、对象-关系数据管理； 使用能够直接存储和管理非结构化的空间数据的 数据库管理系统。 DBMS （数据库管理系统） 空间数据管理专用模块 （API）
1、数据量大； 2、包括空间数据和属性数据
数据库管理系统(DBMS, DataBase Management System): 数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型 软件，是用于建立、使用和维护数据库。它对数据 库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性 和完整性。
数据库管理系统提供数据的定义、操作、描述的 语言，还有数据库的运行管理、建立以及维护，一 般指数据库管理软件 如 SQL Server、Orcal、My Sql.