第八章 空间数据组织管理
空间数据组织与管理课件
空间查询
② 找出中心线长度超过“主街”的所有路段 SELECT RS1，name FROM Road_Segments RS1 WHERE ST_Length(RS1.Centerline)>
ANY(SELECT ST_Length(RS2.Centerline) FROM Road_Segments RS2 WHERE <>'主街')
子结点中矩形的最小外包矩形； ⑤ 若根结点不是叶结点，则至少包含2个子结点； ⑥ 所有的叶结点出现在同一层中； ⑦ 所有MBR的边与一个全局坐标系的坐标轴平行；
R树索引
优点 ① 采用空间聚类的方法对数据进行分区，提高了空间分区节点的利用效率； ② R树作为一棵平衡树，也降低了树的深度，提高了R树的检索效率； 缺点 ① 由于R树非叶结点的MBR允许重叠，这样会导致同一空间查询出现多条查
空间填充曲线
Hilbert曲线
2
Z曲线
1
空间填充曲线（space-filling curve）是一种降低空间维度的方法。它是一条 连续曲线，自身没有任何交叉，可以通过访问所有网络单元来填充包含均匀 网络的四边形。常用的空间填充曲Z曲线、Hilbert曲线。
空间填充曲线是一种重要的近似表示方法，将数据空间划分成大小相同的网 格，再根据一定的方法将这些网格编码，每个格指定一个唯一的编码，并在 一定程度上保持空间邻近性，即相邻的网格的标号也相邻，一个空间对象由 一组网格组成。这样可以将多维的空间数据降维表示到一维空间当中。
空间查询
Байду номын сангаас目录
01
定义
空间几何查询
02
空间定位查询
03
空间关系查询
04
空间数据组织与管理概述
Clay
Plain
A1
Loam
Plain
A2
Sandy
Hill
A3
User_ID
Terrain
Slope
233
Plain
0
234
Plain
3
235
Hill
25
关系数据结构
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。
1
空间数据组织与管理概述
第八章 空间数据组织与
管理
第一节 空间数据管理的特点
第二节 空间数据库管理技术的发展
第三节 空间数据的组织
第四节 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
这些特征都决定了需要行之有效的方法去管理空间数据
1. 空间特体
7
B
55
C
54
C
60
C
26
A
48
A
15
A
…
…
实体
Peano码
A
26,48,50,15,37,39,14
B
7
C
55,54,60
…
…
B
A
C
四叉树索引
是指建立四叉树索引时,根据所有空间对象覆盖的范围，进行四叉树分割，使每一个子块中仅包含单个实体，然后根据包含每个实体的子块层数或者子块大小建立相应的索引表。
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。
空间数据组织与管理课件(PPT-56页)
• 需要在二维空间上划分块或图幅，在垂直方向上划分层进 行数据组织
空间数据管理
• 通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题：
– GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支持 – DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠
– 数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储 存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩 展性，并可为各种用户共享
数据库基础
• 最常用的数据模型
– 层次模型（HierarchicalModel）
非关系模型
– 网状模型（NetworkModel） – 关系模型（RelationalModel） – 面向对象模型（ObjectOrientedModel）
矢量数据的管理
• 全关系型数据库管理
– 图形数据与属性数据都采用现有的关系型数据库存 储，使用关系数据库标准连接机制进行空间数据与 属性数据的连接
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 全关系管理空间数据
矢量数据的管理
• 对变长结构的空间几何数据的处理方法：
• 1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商 合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到 大型关系数据库中管理的产品，将其定名为 “spatialdatabaseengine”，简称SDE，即 为“空间数据库引擎”
空间数据库引擎
• 之后许多的GIS厂商和数据库厂商纷纷提出自己的商 业化的产品和解决方案，比较成熟的有GIS厂商ESRI 公司的ArcSDE，MapInfo公司的SpatialWare，数 据库厂商Oracle公司的Spatial，Informix公司的 SpatialDataBlade等产品和技术
空间数据的组织与管理
练习 21.利用ArcCatalog 管理地理空间数据库2.在ArcMap中编辑属性数据第1步启动ArcCatalog 打开一个地理数据库 (1)第2步预览地理数据库中的要素类： (2)第3步创建缩图，并查看元数据 (4)第4步创建个人地理数据库(Personal Geodatabase) (5)第5步拖放数据到ArcMap中 (11)第6步编辑属性数据及进行1：M的空间查询 (12)第7步导入GPS数据，生成图层 (14)第1步启动ArcCatalog 打开一个地理数据库当ArcCatalog打开后，点击, 按钮（连接到文件夹）. 建立到包含练习数据的连接（比如“E:\ARCGIS\EXEC2”）,在ArcCatalog窗口左边的目录树中, 点击上面创建的文件夹的连接图标旁的(+)号，双击个人空间数据库－National.mdb。
打开它。
.在National.mdb中包含有2个要素数据集、1个关系类和1个属性表第2步预览地理数据库中的要素类：在ArcCatalog 窗口右边的数据显示区内，点击“预览”选项页切换到“预览”视图界面。
在目录树中，双击数据集要素集－“WorldContainer”，点击要素类－“Countries94”激活它。
查看它的属性字段信息。
花几分钟，以同样的方法查看一下National.mdb 地理数据库中的其它数据。
第3步创建缩图，并查看元数据在目录树中，选择地理数据库National中的要素类－Countries94，切换到“预览视图”，点击工具栏上的放大按钮，将图层放大到一定区域，然后再点，生成并更新缩略图。
这时，切换到“内容”视图界面下，并在目录树中选择要素集－“WorldContainer”，数据查看方式更改为“缩略图方式”。
.注意，此时，要素类“Countries94”的缩图图是不是发生了改变点击“元数据”选项页，查看当前要素类的元数据，了解当前要素类是采用什么坐标系，都有哪些属性字段，字段的类型等信息。
地理信息系统空间数据组织与管理课件
THANKS
空间数据特点
具有空间定位性、属性特征性、 空间关系性等特点。
空间数据类型
1 2
3
矢量数据
包括点、线、面等几何要素，具有方向和长度/面积等属性 。
栅格数据
以网格情势表示地理信息，每个网格具有相应的属性值。
数字高程模型
表示地形高程的离散数据，常用于地形分析和可视化。
空间数据组织方式
空间数据库
将空间数据存储在关系型数据库中，通过数据库管理系统进行管理。
文件存储
将空间数据存储在文件中，如Shapefile、GeoTIFF等格式。
散布式存储
将空间数据分散存储在多个节点上，实现数据的散布式管理和访问。
空间索引技术
R树索引
一种用于空间数据索引的树形结构， 能够高效地查询和检索空间数据。
Quadtree索引
Geohash索引
一种基于哈希编码的空间索引方法， 能够实现高效的空间范围查询和检索 。
数据安全
03
SDBMS提供了数据加密、访问控制等安全机制，确保空间数据
的安全性和保密性。
空间数据存储方式
散布式存储
将空间数据分散存储在多 个节点上，以提高数据存 储的可靠性和可扩大性。
矢量数据存储
将矢量数据按照几何特征 进行存储，如点、线、面 等，以实现高效的空间查 询和分析。
栅格数据存储
将栅格数据按照像素或网 格进行存储，适用于图像 、卫星遥感等数据的存储 和管理。
02
它能够处理空间数据，提供地理 信息的可视化表示，并支持空间 决策和计划。
地理信息系统发展历程
01
1960年代
GIS概念的形成和
实验阶段。
02
空间数据的安全管理制度
一、总则为加强空间数据安全管理，确保国家地理信息安全，维护国家安全和社会公共利益，依据《中华人民共和国国家安全法》、《中华人民共和国测绘法》等相关法律法规，结合我单位实际情况，特制定本制度。
二、制度目标1. 保障空间数据安全，防止数据泄露、篡改、破坏和非法使用。
2. 提高空间数据使用效率，促进空间数据资源的合理利用。
3. 建立健全空间数据安全管理体系，确保空间数据安全稳定运行。
三、组织机构及职责1. 成立空间数据安全管理领导小组，负责制定空间数据安全管理制度，监督、检查和指导空间数据安全管理工作。
2. 设立空间数据安全管理办公室，负责具体实施空间数据安全管理工作，包括数据加密、访问控制、安全审计等。
3. 各部门、单位应指定专人负责空间数据安全管理工作，确保空间数据安全。
四、空间数据安全管理措施1. 数据分类分级根据空间数据的敏感性、重要性和影响程度，将空间数据分为一级、二级、三级和四级，并采取相应的安全措施。
2. 数据加密对涉及国家安全、社会公共利益和商业秘密的空间数据进行加密存储和传输，确保数据安全。
3. 访问控制实行严格的访问控制制度，对空间数据进行权限管理，确保只有授权人员才能访问和使用数据。
4. 安全审计定期进行安全审计，对空间数据的安全使用情况进行监督和检查，发现问题及时整改。
5. 网络安全加强网络安全防护，防止网络攻击、病毒入侵等安全事件对空间数据造成损害。
6. 物理安全对存储空间数据的服务器、存储设备等进行物理安全保护，防止人为破坏和自然灾害。
7. 应急处置制定空间数据安全事件应急预案，一旦发生数据泄露、篡改、破坏等事件，立即启动应急预案，采取有效措施进行处置。
五、人员管理1. 对空间数据管理人员进行安全教育和培训，提高其安全意识和技能。
2. 严格执行人员离职交接制度，确保空间数据安全。
3. 对违反空间数据安全管理制度的人员，依法依规进行处理。
六、附则1. 本制度自发布之日起施行。
空间数据管理-空间数据库
contents
目录
• 空间数据库概述 • 空间数据库的核心技术 • 空间数据库的应用领域 • 空间数据库面临的挑战与解决方案 • 空间数据库的未来发展趋势
空间数据库概述
01
定义与特点
定义
空间数据库是一种用于存储和管理空 间数据的数据库系统，它能够存储、 检索、更新和管理空间数据，包括地 理信息、地图数据、遥感数据等。
空间数据查询语言
空间数据查询语言是用于查询和管理 空间数据库的标准语言，它提供了丰 富的空间函数和操作符，用于对空间 数据进行各种复杂的查询和操作。
常见的空间数据查询语言包括SQL、 PostGIS等。
空间数据模型与结构
空间数据模型与结构是描述空间数据的组织和表达方式，它决定了空间数据的表示、存储和查询方式 。
环境监测与保护是空间数据库的重要应用领域之一。 环境监测部门需要利用空间数据库来分析环境质量、 生态状况等信息，为环境保护提供决策支持。
环境监测与保护还包括污染治理、生态修复等领域。
空间数据库面临的挑
04
战与解决方案
数据安全与隐私保护
数据加密
采用先进的加密算法对空间数据进行加密， 确保数据在存储和传输过程中的安全性。
访问控制
实施严格的访问控制策略，对不同用户设定不同的 权限级别，防止未经授权的访问和数据泄露。
隐私保护
在数据采集、处理和使用过程中，采取匿名 化、去标识化等技术手段保护用户隐私。
高性能查询优化
索引技术
利用空间索引技术提高查询效率，如 R-tree、Quadtree等。
查询策略优化
根据查询需求和数据特点，优化查询 路径和算法，减少计算量和I/O负载。
空间数据管理 PPT课件
链方式：文件不按地址连续存放，文件的逻 辑顺序靠链来实现，文件中的每个记录中都 含有一个指针，用以指明下一个记录的存放 地址；
块链方式：把文件分成若干数据块，块之间 用指针连接，而块内则是连续存储 .
12
索引文件
存储内容包括： 1.记录本身（主文件） 2.若干索引表 这种带有索引表的文件叫索引文件。
45
作为一种辅助性的空间数据结构， 空间索引介于空间操作算法和空间 对象之间，它通过筛选作用，大量 与特定空间操作无关的空间对象被 排除，从而提高空间操作的速度和 效率。空间索引的性能的优劣直接 影响空间数据库和地理信息系统的 整体性能，它是空间数据库和地理
信息系统的一项关键技术。
46
常见大空间索引一般是自顶向下、逐级划分 空间的各种数据结构空间索引，比较有代表 性的包括BSP树、R树、R+树和CELL树等。 此外，结构较为简单的格网型空间索引有着 广泛的应用。
24
数据库管理系统
数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是在文件处理系统的基础 上进一步发展的系统。
可以认为，DBMS在用户应用程序和数据文 件之间起到了桥梁作用。
25
DBMS优点： DBMS优点是提供了数据独立性，即应用程 序访问数据文件时，不必知道数据文件的物 理存储结构。当数据文件的存储结构改变时， 不必改变应用程序 。
28
传统的地理数据模型 层次模型 网状模型 关系模型
29
采用传统DBMS存储空间数据的主要问题
1）在GIS中，空间数据记录是变长的，而一般数据库要求 记录为固定长度。另外，在存储和维护空间数据拓扑关 系方面，DBMS也存在着严重的缺陷。
2）DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包 含、叠加等基本操作。
空间数据的组织与结构
空间数据的组织与结构在当今数字化的时代，空间数据的重要性日益凸显。
从导航应用到城市规划，从地质勘探到环境保护，空间数据在各个领域都发挥着关键作用。
而要有效地管理和利用这些空间数据，就需要深入理解其组织与结构。
空间数据，简单来说，是指具有空间位置特征或属性的数据。
它可以是地理坐标、地图上的点、线、面，也可以是与空间位置相关的其他信息，如温度、湿度、人口密度等。
那么，空间数据是如何组织起来的呢？常见的组织方式有栅格数据结构和矢量数据结构。
栅格数据结构将空间区域划分为规则的网格单元，每个单元都有一个值来表示相应的属性。
比如说，在一张卫星图像中，每个像素就是一个栅格单元，其颜色值代表了该位置的地物特征。
栅格数据结构的优点是处理简单、运算速度快，适用于对空间数据进行全局分析和大规模数据的快速处理。
但它也存在一些缺点，比如数据冗余度大，因为每个单元都要存储一个值，即使相邻单元的值可能相同；而且栅格数据的精度相对较低，难以精确表示复杂的地理实体边界。
与栅格数据结构不同，矢量数据结构通过点、线、面等几何对象来表示地理实体。
例如，一条河流可以用一条线来表示，一个湖泊可以用一个面来表示。
矢量数据结构能够更精确地描述地理实体的形状和位置，数据冗余度小，占用存储空间相对较少。
但矢量数据结构的处理算法相对复杂，在进行某些空间分析操作时可能不如栅格数据结构高效。
在实际应用中，选择栅格数据结构还是矢量数据结构，往往取决于具体的需求和数据特点。
如果需要对大面积的空间数据进行快速分析，且对精度要求不是特别高，栅格数据结构可能是更好的选择；而对于需要精确表示地理实体形状和边界的情况，矢量数据结构则更为合适。
除了这两种基本的数据结构，还有一些混合的数据结构，它们结合了栅格和矢量数据结构的优点，以满足更复杂的应用需求。
空间数据的组织还涉及到数据的分层。
就像我们整理书架时会把不同类型的书放在不同的层架上一样，空间数据也可以根据其主题、属性或用途进行分层。
数据库中的空间数据管理与分析技术
数据库中的空间数据管理与分析技术近年来，随着信息技术的快速发展和科学技术的不断进步，空间数据的管理和分析成为了数据库领域中的重要课题。
空间数据管理技术在地理信息系统、交通监控、环境保护等领域起到了重要的作用。
本文将介绍数据库中的空间数据管理与分析技术。
首先，我们来了解什么是空间数据。
空间数据是指具有地理位置信息的数据，包括地点、区域或者地球上的特定位置。
将空间数据存储在数据库中，可以方便地对其进行管理和分析。
一种常见的管理空间数据的方法是使用地理数据库系统。
地理数据库系统是一种专门用于存储和管理空间数据的数据库系统。
在地理数据库系统中，我们可以将地理数据根据特定的坐标系统进行存储和索引，以便更好地管理和操纵数据。
此外，地理数据库系统还提供了专门的查询语言和函数，用于对空间数据进行查询和分析。
其中，空间索引技术是地理数据库系统中的核心技术之一。
空间索引是一种数据结构，用于加速对空间数据的查询操作。
常见的空间索引技术包括R树、四叉树和kd树等。
这些索引结构可以将地理数据进行实时分割和组织，使得查询操作的效率得到显著提高。
通过使用空间索引技术，可以更快速地查询出满足特定空间条件的数据，提高数据分析的效率。
另外，空间数据分析是地理数据库系统中一项重要的功能。
通过空间数据分析，我们可以深入挖掘数据背后隐藏的规律和特征，并从中获取有价值的信息。
常用的空间数据分析技术包括空间关联分析和空间聚类分析。
空间关联分析是在空间数据中寻找特定的关联关系。
例如，寻找城市附近的餐馆数量与人口密度之间的关系。
通过空间关联分析，我们可以发现餐馆更倾向于开在人口密集的地区，这对餐馆的开业定位和市场研究具有重要的意义。
空间聚类分析是通过将地理数据进行聚类操作来寻找空间上的热点区域。
例如，通过对犯罪地点的分析，我们可以找出犯罪高发区域。
这对于犯罪预防和治安管理具有重要的意义。
除了上述的空间数据管理与分析技术，数据库中还涉及到空间数据的可视化技术。
空间数据组织与管理
平台架构
建立一个安全、稳定、高效的空 间数据共享平台，包括数据存储、 数据处理、数据查询和数据分发 等功能模块。
数据整合
将不同来源、不同格式的空间数 据进行标准化和规范化，整合到 一个统一的共享平台上，便于用 户查询和使用。
用户管理
建立完善的用户管理制度，对用 户进行身份认证和权限管理，确 保数据的安全性和保密性。
空间数据组织与管理
• 空间数据概述 • 空间数据组织方式 • 空间数据存储管理 • 空间数据查询与检索 • 空间数据共享与分发 • 空间数据可视化表达与地图制作
目录
空间数据概述
空间数据的定义与特点
总结词
空间数据是描述地理空间中各种要素的数据，具有空间位置、属性、时间三个基本要素。
详细描述
空间数据是地理信息系统（GIS）的基础，它描述了地理空间中各种要素的位置、特征 和属性。这些要素可以是自然物体，如山川、湖泊、植被等，也可以是人文要素，如建 筑物、道路、人口分布等。空间数据的特点包括空间位置的唯一性、属性描述的多样性
空间数据版权保护
1 2 3
版权标识 对共享平台上的空间数据添加版权标识，明确数 据的所有权和使用权，防止未经授权的数据使用 和传播。
访问控制 建立严格的访问控制机制，限制用户对数据的访 问权限，防止未经授权的访问和数据泄露。
法律保护 加强相关法律法规的建设和执行，对侵犯版权的 行为进行严厉打击，保护数据所有者的合法权益。
空间数据的应用领域
总结词
空间数据在城市规划、环境保护、资源调查、灾害监 测等领域具有广泛应用。
详细描述
空间数据在许多领域都有重要的应用价值。在城市规划 中，空间数据可用于城市用地布局、交通规划等方面； 在环境保护中，空间数据可用于监测环境污染、评估生 态保护效果等；在资源调查中，空间数据可用于土地资 源、水资源、矿产资源等的调查和评估；在灾害监测中， 空间数据可用于灾害预警、灾后评估等。此外，空间数 据还可应用于军事侦察、农业管理、旅游规划等领域。
空间数据组织与管理
2) Shape
• Shape文 件 保 存 数 据 中 的 空 间 特 征 信 息 ， 包 括
不具有拓扑关系的几何信息和属性信息
特征的几何信息存贮为一个由一组矢量坐标组成
的Shape。
属性由dBASE（dBASE是一种通用的关系数据库）
格式文件管理，每个属性记录与相关的Shape记录
一一对应。
地层等。
2）时间序列分层
把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。
3）地面垂直高度分层
把不同垂直高度的数据作为一个数据层。
第36页/共51页
Z
第37页/共51页
2、空间数据分层的目的
便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。
1）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理
就简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往
本字符。
FID
Date
Entity
.......
Numofpts
Envelope
x1,y1,x2,y2, ...
...xn,yn
B
A
第16页/共51页
BLOB
4.对象—关系的空间数据管理系统
在关系数据库中，除了使
用二进制字段存储非结构
化数据外，还可以对关系
数据库进行扩展，即将复
杂的数据类型作为对象放
依次通过采样算法得到低一层的影像数据。
• 分块是对分层之后的影像数据按照设定好的影像块进行分割存储。分块之后只需要
将需要显示和处理的若干个影像块数据读入内存，而并非未分块前的一整幅影像。
第43页/共51页
影像金字塔构建过程
先将原始影像进行分块，然后对数据块进行重采样生成较低分辨率的影像，依次进行，直到完成预定的分
2(3)空间数据组织与管理
录定长，且数据项是原子数据.而空间数据数据项变长， 对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。
– 海量数据特征
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
2）矢量数据的管理
对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是
分开组织的，这一特点使得在管理时需要同时提及空
间位置数据和属性数据。其中属性数据很适合用关系 数据库管理，空间位置数据不太适合用关系数据库来 管理。 空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的，
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
GIS应用
空间数据的组织
大范围 地理区域
经纬度分块
矩形分块 区域分块
合理组织
面向对 象组织
分层
空间数据库
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
地理数据的分层
空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，称为图层（Coverage）。 1、空间数据分层方法： 1）专题分层
1、数据量特别大 2、数据内容包括空间数据、属性数据以及二者之间 的关系 3、数据应用广泛
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
2、空间数据管理
1）空间数据的基本特征
– – – – – 空间性：形状、位置、分布与空间关系 多尺度与多态性：尺度与维数变化 多时空性：时间序列与空间序列 抽象性：分类编码，空间降维 非结构化特征：结构化的，即满足第一范式:每条记
2）以文件形式共享，当多个程序共享一数 据文件时，文件的修改，需得到所有应用 的许可。不能达到真正的共享，即数据项、 记录项的共享。
空间、属性 数据文件3
地 除oid作为连接关键字以外，几乎是两者独立 图形数据 理 地组织、管理和检索。 oid 属性数据 信 GIS应用软件 几何图形: 图形用户界面与图形文件处理是一体的， 息 中间没有裂缝。 Arc/Info 系 属性数据，则因系统和历史发展而异。 统 图形用户界面 属性用户界面 1) 图形与属性结合的各自分开处理模式------Tables -早期系统: 原 ArcEdit 图形处理的用户界面和属性的用户界面是分 理 图形处理 开的，它们只是通过一个内部码连接。通常 数据库管理
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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。
• 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。
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 Terrdy
Plain
Plain Hill
A1 A2
A3
Terrain
Slope Improved
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。
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。
Peano码
26,48,50,15, 37,39,14
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。
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）
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）
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
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
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。
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
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。
环境地理信息系统
主讲人：梅琨 kunjuly@
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
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
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
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
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。