第四章 空间数据组织与管理
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• 在文件系统基础上发展而来
• 位于用户和操作系统之间进行数据库存取和 各种管理控制，对数据库所有操作通过DBMS 进行。
• 优点：保持应用程序与数据之间的独立性。
3.空间数据库系统
空间数据库系统：空间数据库、计算机硬
件系统、操作系统、DBMS、空间DBMS、操
作员等。
操作员 空间数据 库管理系
பைடு நூலகம்
数据统库管
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，直到完成预定的分层；最后对每层的 影像块按影像金字塔进行组织。 一般采用固定大小的分块方法。目前建立 影像数据库多采用数据块大小为 128×128 或 256×256。
影像金字塔两种构建方法
一种是数据源本身就是多分辨率的，只需 要按照影像金字塔组织这些数据即可；
理系统
操作系
统
空间数 据存储
器
4.2 空间数据的管理方式
• 基于文件管理的方式 • 文件与关系数据库混合管理模式 • 全关系型空间数据库管理模式 • 对象—关系的空间数据管理系统 • 面向对象数据库管理系统
1.基于文件管理的方式
各个地理信息系统应用程序对应各自的 空间和属性数据文件，当两个GIS应用 程序需要的数据有相同部分时，可以 提出来作为公共数据文件。
• 另一种是数据库管理系统的软件商自己在 关系数据库管理系统中进行扩展，使之能 直接存储和管理矢量空间数据，如Oracle 和Informix等都推出了空间数据管理的扩 展模块。
（3）Oracle Spatial简介
• Oracle Spatial是Oracle公司推出的空间 数据库组件，通过Oracle数据库系统存储 和管理空间数据。 Oracle从9i开始对空间 数据提供了较为完备的支持。
在传统关系数据库管理系统之上进行扩展，使 之能够同时管理矢量图形数据和属性数据。 扩展的方式有两种：
一种是GIS软件商在传统关系数据库管理系统 之上进行扩展，外加一个空间数据管理引擎， 如ERSI公司的ArcSDE、MapInfo公司的 Spatialware等。������
1）ArcSDE—空间数据库引擎
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。
由于Shape文件不处理拓扑数据结构，因此有快速绘 图和编辑能力等优点，其显著特点还在于所需的磁盘 空间更少和更易于读写。
Shape文件包括一个主文件、一个索引文件和一个dBASE表文 件。
SDO_GEOMETRY ( 2001，--2代表维数，1代表几何类型为点
NULL，--其他字段设置为空 SDO_POINT_TYPE --指定点的坐标
（-87,（经度） 37，（维度） NULL ）
)
}
4.面向对象模型
面向对象模型最适应于空间数据的表达和 管理，它不仅支持变长记彔，而且支持对 象的嵌套、信息的继承与聚集。
1、空间数据分层方法： 1）专题分层
每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类 数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。 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。
Z
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 往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单； 2）对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数 据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因 而可加快查询速度； 3）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图 层，因而增加了图形显示的灵活性； 4）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。
• 主文件是一个直接存取的变长记录的文件，其一条记录描 述了一个用一系列点表示的Shape；
• 索引文件的每条记录存贮与之相应的主文件记录从文件头 开始的偏移量；
• dBASE文件的每条记录包含一个特征的属性，基于记录号 的几何信息和属性信息一一对应，dBASE文件的记录必须 与主文件的记录顺序一致。
第四章 空间数据组织与管理
4.1 文件组织与数据库
1. 数据文件：文件系统中，数据按照其组织分为三个级别： 数据项：文件中存取数据的基本单位，用于描述
物体的属性。 记录：由一个或多个数据项或数据项组组成，是
关于一个实体的数据总和。
文件：大量性质相同的记录组成的集合。
2.数据库管理系统（DBMS）
Oracle Spatial主要通过元数据表、空间数 据字段（即SDO_GEOMETRY字段）和空间索引 来管理空间数据，并在此基础上提供一系列 空间查询和空间分析的函数，让用户进行更 深层次的GIS应用开发。Oracle Spatial使 用空间字段SDO_GEOMETRY存储空间数据，用 元数据表来管理具有SDO_GEOMETRY字段的空 间数据表，并采用R树索引和四叉树索引技 术来提高空间查询和空间分析的速度。
• Shape所有文件均使用“8.3”命名规则，主 文件、索引文件和dBASE文件具有相同的 前 缀 ， 其 后 缀 分 别 为 “ .shp” 、 “ .shx” 和 “.dbf”。例如：
– 主文件：counties.shp
– 索引文件：counties.shx
– dBASE文件：counties.dbf
高级应用
SDE
数据管理
Spatial Database
CAD应用
2）Geodatabase
ArcGIS的核心数据模型
● 面向对象
● 表达和管理GIS数据
地理数据统一存储的仓库
● 要素类、栅格数据 ● 关系类、拓扑、网络 ● 支持不同平台 ● 可伸缩性
属性表
分享地理价值
Geodatabase的优势
用RDBMS管理空间数据 开放的应用程序接口(API) Client/Server 工作模式 海量空间数据管理
扩展的RDBMS
客户端
服务器
API
工具
空间数据 RDBMS
SDE 与应用的关系
数据浏览/发布
自开发应用
ARC / INFO ArcView
MapObjects
ArcExplorer GIS Server
FID Date Entity ....... Numofpts Envelope BLOB
B A
x1,y1,x2,y2, ... ...xn,yn
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入 关系数据库中,并提供索引 机制和简单的操作。这种 扩展后的数据库称为对 象—关系数据库。这也是 目前较为流行的一种扩展 方式。
创建包含SDO_GEOMETRY列的表来存储位置。
SQL>CREATE TABLE users { Id NUMBER, Poi_name,VARCHAR2(32), Location SDO_GEOMETRY—存储位置的 新列
}
SQL>INSERT INFO users
{ 1， ‘PIZZA HUT’,
影像金字塔核心思想
核心是对遥感影像进行分块、分层： • 分层就是把原始影像数据按照不同分辨率进
行管理，具体就是把分辨率高的影像层依次 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。
• 一幅卫星影像数据的大小都有三四百兆，有的 甚至几个 GB，镶嵌后的遥感影像可能会超过 10GB 或 100GB 以上。面对如此庞大的数据， 要进行快速显示浏览、图像增强、图像编辑等 操作，现在普通的计算机硬件配置都无法满足 要求。
1.栅格数据管理
为了实施对影像数据的高效的组织和存储需 要采用影像金字塔技术，即：在同一的空 间参考下，根据用户需要以不同分辨率进 行存储与显示，形成分辨率由粗到细、数 据量由小到大的金字塔结构。
������ 面向对象的空间数据库管理系统允许用 户定义对象和对象的数据结构及操作。这 样，我们可以将空间对象根据GIS的需要， 定义出合适的数据结构和一组操作。
当前已经推出了若干个面向对象数据库管理 系统，也出现一些基于面向对象的数据库管 理系统的地理信息系统。但由于面向对象数 据库管理系统还不够成熟，价栺又昂贵，目 前在GIS领域还不太通用。相反基于对象-关系的空间数据库管理系统是目前GIS空间 数据管理的主流。
39
横向分块组织
由于空间信息的海量及空间分布范围广等特征，需 要进行分割：
磁盘容量有限 系统故障，或操作不慎，将导致数据不完全 数据库维护不便，局部范围更新，将处理整个数
据库。 查询效率不高，查询多在局部范围，数据文件越
大，局部数据处理的相对时间越长。
分块方式
标准经纬度分块
矩形分块
（4） 可移植
● Geodatabase XML 导入/导出
（5）数据输入和编辑更加准确
● 丰富的编辑工具 ● 子类型、有效性规则的运用 ● 允许多用户并发编辑
（6） 可伸缩的存储解决方案
● 个人（Personal）地理数据库 ● 文件（File）地理数据库 ● ArcSDE地理数据库
Geodatabase的三种类型
任意区域多边形分块
分块尺寸
可以是任意尺寸，根据实际需要而定。大 多数情况下，图块按照地图图幅大小来划 分。小比例尺按经纬线分幅，大比例尺地 图按矩形分幅。
4.4 栅格数据存储与管理
• 在海量影像数据库中，大多数情况下每次调度 和使用的影像数据的某一分辨率和空间范围很 小的一部分影像数据。如果数据文件很大，将 直接影响到数据的读取执行速度。
3.全关系型空间数据库管理模式
全关系型空间数 据库管理系统是 指图形和属性数 据都用现有的关 系数据库管理系 统管理。
用RDBMS管理图形数据有两种模式
1、基于关系模型的方式������ 图形数据按关系 数据模型组织。由于涉及一系列关系连接 运算、费时。
• 2、将图形数据处理成二进制字段（如BLOB） 的图形数据管理。目前大部分关系数据库 管理系统都提供了二进制块的字段域，以 适应管理多媒体数据或可变长文本字符。
4.3 空间数据组织
• 空间数据具有海量、多时空、多尺度、多 源、异构等特征。
• 为提高空间信息存取和检索速度，对海量 数据需要进行有效组织。
• 习惯按不同比例尺、横向分幅（标准分幅 或区域分幅等）、纵向分层（专题层等） 来组织海量空间数据。
纵向分层组织
空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常 称为图层。
2.文件与关系数据库混合管理模式
用文件系统管理几何图形数据，用商用关 系数据库管理系统管理属性数据，它们之 间的联系通过目标标识或者内部连接码进 行连接。
1)MapInfo的数据组织
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。
（1）具有面向对象的特点
多态性——不同的存储方式、相同的要素操作方式 继承性——子类（SubType） 封装性——标准化的编程接口
（2）空间数据与属性数据的统一存储
要素类与要素 一个实体 <-> 一个要素 <-> 一条记录
（3）支持不同数据格式间的转换
● Shapefile ● Coverage
● CAD ● Raster
个人地理数据库(.mdb)
● FOR MS ACCESS ● 存储上限为2GB
文件地理数据库(.gdb) ● 在文件系统中以文件夹的 形式表现 ● 以二进制文件格式存储 ● 每个表存储上限为1TB
ArcSDE地理数据库
● 支持多用户并发编辑 ● 存储于RDBMS中 ● 伸缩性
3种类型的Geodatabase比较
dBase III 数据库文件
特定Shape 图形文件
图形和属性 索引文件
Shapefile和CAD图形的Catalog视图
3)地理相关模型(Coverage)
在Arc/Info 7.X及更早期的版本中使用；
是混合数据模型 强调空间要素的拓扑关系 几何与拓扑存储在二进制文件中，
而与之相关的属性数据位于关系数 据库中。
• 位于用户和操作系统之间进行数据库存取和 各种管理控制，对数据库所有操作通过DBMS 进行。
• 优点：保持应用程序与数据之间的独立性。
3.空间数据库系统
空间数据库系统：空间数据库、计算机硬
件系统、操作系统、DBMS、空间DBMS、操
作员等。
操作员 空间数据 库管理系
பைடு நூலகம்
数据统库管
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，直到完成预定的分层；最后对每层的 影像块按影像金字塔进行组织。 一般采用固定大小的分块方法。目前建立 影像数据库多采用数据块大小为 128×128 或 256×256。
影像金字塔两种构建方法
一种是数据源本身就是多分辨率的，只需 要按照影像金字塔组织这些数据即可；
理系统
操作系
统
空间数 据存储
器
4.2 空间数据的管理方式
• 基于文件管理的方式 • 文件与关系数据库混合管理模式 • 全关系型空间数据库管理模式 • 对象—关系的空间数据管理系统 • 面向对象数据库管理系统
1.基于文件管理的方式
各个地理信息系统应用程序对应各自的 空间和属性数据文件，当两个GIS应用 程序需要的数据有相同部分时，可以 提出来作为公共数据文件。
• 另一种是数据库管理系统的软件商自己在 关系数据库管理系统中进行扩展，使之能 直接存储和管理矢量空间数据，如Oracle 和Informix等都推出了空间数据管理的扩 展模块。
（3）Oracle Spatial简介
• Oracle Spatial是Oracle公司推出的空间 数据库组件，通过Oracle数据库系统存储 和管理空间数据。 Oracle从9i开始对空间 数据提供了较为完备的支持。
在传统关系数据库管理系统之上进行扩展，使 之能够同时管理矢量图形数据和属性数据。 扩展的方式有两种：
一种是GIS软件商在传统关系数据库管理系统 之上进行扩展，外加一个空间数据管理引擎， 如ERSI公司的ArcSDE、MapInfo公司的 Spatialware等。������
1）ArcSDE—空间数据库引擎
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。
由于Shape文件不处理拓扑数据结构，因此有快速绘 图和编辑能力等优点，其显著特点还在于所需的磁盘 空间更少和更易于读写。
Shape文件包括一个主文件、一个索引文件和一个dBASE表文 件。
SDO_GEOMETRY ( 2001，--2代表维数，1代表几何类型为点
NULL，--其他字段设置为空 SDO_POINT_TYPE --指定点的坐标
（-87,（经度） 37，（维度） NULL ）
)
}
4.面向对象模型
面向对象模型最适应于空间数据的表达和 管理，它不仅支持变长记彔，而且支持对 象的嵌套、信息的继承与聚集。
1、空间数据分层方法： 1）专题分层
每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类 数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。 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。
Z
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 往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单； 2）对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数 据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因 而可加快查询速度； 3）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图 层，因而增加了图形显示的灵活性； 4）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。
• 主文件是一个直接存取的变长记录的文件，其一条记录描 述了一个用一系列点表示的Shape；
• 索引文件的每条记录存贮与之相应的主文件记录从文件头 开始的偏移量；
• dBASE文件的每条记录包含一个特征的属性，基于记录号 的几何信息和属性信息一一对应，dBASE文件的记录必须 与主文件的记录顺序一致。
第四章 空间数据组织与管理
4.1 文件组织与数据库
1. 数据文件：文件系统中，数据按照其组织分为三个级别： 数据项：文件中存取数据的基本单位，用于描述
物体的属性。 记录：由一个或多个数据项或数据项组组成，是
关于一个实体的数据总和。
文件：大量性质相同的记录组成的集合。
2.数据库管理系统（DBMS）
Oracle Spatial主要通过元数据表、空间数 据字段（即SDO_GEOMETRY字段）和空间索引 来管理空间数据，并在此基础上提供一系列 空间查询和空间分析的函数，让用户进行更 深层次的GIS应用开发。Oracle Spatial使 用空间字段SDO_GEOMETRY存储空间数据，用 元数据表来管理具有SDO_GEOMETRY字段的空 间数据表，并采用R树索引和四叉树索引技 术来提高空间查询和空间分析的速度。
• Shape所有文件均使用“8.3”命名规则，主 文件、索引文件和dBASE文件具有相同的 前 缀 ， 其 后 缀 分 别 为 “ .shp” 、 “ .shx” 和 “.dbf”。例如：
– 主文件：counties.shp
– 索引文件：counties.shx
– dBASE文件：counties.dbf
高级应用
SDE
数据管理
Spatial Database
CAD应用
2）Geodatabase
ArcGIS的核心数据模型
● 面向对象
● 表达和管理GIS数据
地理数据统一存储的仓库
● 要素类、栅格数据 ● 关系类、拓扑、网络 ● 支持不同平台 ● 可伸缩性
属性表
分享地理价值
Geodatabase的优势
用RDBMS管理空间数据 开放的应用程序接口(API) Client/Server 工作模式 海量空间数据管理
扩展的RDBMS
客户端
服务器
API
工具
空间数据 RDBMS
SDE 与应用的关系
数据浏览/发布
自开发应用
ARC / INFO ArcView
MapObjects
ArcExplorer GIS Server
FID Date Entity ....... Numofpts Envelope BLOB
B A
x1,y1,x2,y2, ... ...xn,yn
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入 关系数据库中,并提供索引 机制和简单的操作。这种 扩展后的数据库称为对 象—关系数据库。这也是 目前较为流行的一种扩展 方式。
创建包含SDO_GEOMETRY列的表来存储位置。
SQL>CREATE TABLE users { Id NUMBER, Poi_name,VARCHAR2(32), Location SDO_GEOMETRY—存储位置的 新列
}
SQL>INSERT INFO users
{ 1， ‘PIZZA HUT’,
影像金字塔核心思想
核心是对遥感影像进行分块、分层： • 分层就是把原始影像数据按照不同分辨率进
行管理，具体就是把分辨率高的影像层依次 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。
• 一幅卫星影像数据的大小都有三四百兆，有的 甚至几个 GB，镶嵌后的遥感影像可能会超过 10GB 或 100GB 以上。面对如此庞大的数据， 要进行快速显示浏览、图像增强、图像编辑等 操作，现在普通的计算机硬件配置都无法满足 要求。
1.栅格数据管理
为了实施对影像数据的高效的组织和存储需 要采用影像金字塔技术，即：在同一的空 间参考下，根据用户需要以不同分辨率进 行存储与显示，形成分辨率由粗到细、数 据量由小到大的金字塔结构。
������ 面向对象的空间数据库管理系统允许用 户定义对象和对象的数据结构及操作。这 样，我们可以将空间对象根据GIS的需要， 定义出合适的数据结构和一组操作。
当前已经推出了若干个面向对象数据库管理 系统，也出现一些基于面向对象的数据库管 理系统的地理信息系统。但由于面向对象数 据库管理系统还不够成熟，价栺又昂贵，目 前在GIS领域还不太通用。相反基于对象-关系的空间数据库管理系统是目前GIS空间 数据管理的主流。
39
横向分块组织
由于空间信息的海量及空间分布范围广等特征，需 要进行分割：
磁盘容量有限 系统故障，或操作不慎，将导致数据不完全 数据库维护不便，局部范围更新，将处理整个数
据库。 查询效率不高，查询多在局部范围，数据文件越
大，局部数据处理的相对时间越长。
分块方式
标准经纬度分块
矩形分块
（4） 可移植
● Geodatabase XML 导入/导出
（5）数据输入和编辑更加准确
● 丰富的编辑工具 ● 子类型、有效性规则的运用 ● 允许多用户并发编辑
（6） 可伸缩的存储解决方案
● 个人（Personal）地理数据库 ● 文件（File）地理数据库 ● ArcSDE地理数据库
Geodatabase的三种类型
任意区域多边形分块
分块尺寸
可以是任意尺寸，根据实际需要而定。大 多数情况下，图块按照地图图幅大小来划 分。小比例尺按经纬线分幅，大比例尺地 图按矩形分幅。
4.4 栅格数据存储与管理
• 在海量影像数据库中，大多数情况下每次调度 和使用的影像数据的某一分辨率和空间范围很 小的一部分影像数据。如果数据文件很大，将 直接影响到数据的读取执行速度。
3.全关系型空间数据库管理模式
全关系型空间数 据库管理系统是 指图形和属性数 据都用现有的关 系数据库管理系 统管理。
用RDBMS管理图形数据有两种模式
1、基于关系模型的方式������ 图形数据按关系 数据模型组织。由于涉及一系列关系连接 运算、费时。
• 2、将图形数据处理成二进制字段（如BLOB） 的图形数据管理。目前大部分关系数据库 管理系统都提供了二进制块的字段域，以 适应管理多媒体数据或可变长文本字符。
4.3 空间数据组织
• 空间数据具有海量、多时空、多尺度、多 源、异构等特征。
• 为提高空间信息存取和检索速度，对海量 数据需要进行有效组织。
• 习惯按不同比例尺、横向分幅（标准分幅 或区域分幅等）、纵向分层（专题层等） 来组织海量空间数据。
纵向分层组织
空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常 称为图层。
2.文件与关系数据库混合管理模式
用文件系统管理几何图形数据，用商用关 系数据库管理系统管理属性数据，它们之 间的联系通过目标标识或者内部连接码进 行连接。
1)MapInfo的数据组织
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。
（1）具有面向对象的特点
多态性——不同的存储方式、相同的要素操作方式 继承性——子类（SubType） 封装性——标准化的编程接口
（2）空间数据与属性数据的统一存储
要素类与要素 一个实体 <-> 一个要素 <-> 一条记录
（3）支持不同数据格式间的转换
● Shapefile ● Coverage
● CAD ● Raster
个人地理数据库(.mdb)
● FOR MS ACCESS ● 存储上限为2GB
文件地理数据库(.gdb) ● 在文件系统中以文件夹的 形式表现 ● 以二进制文件格式存储 ● 每个表存储上限为1TB
ArcSDE地理数据库
● 支持多用户并发编辑 ● 存储于RDBMS中 ● 伸缩性
3种类型的Geodatabase比较
dBase III 数据库文件
特定Shape 图形文件
图形和属性 索引文件
Shapefile和CAD图形的Catalog视图
3)地理相关模型(Coverage)
在Arc/Info 7.X及更早期的版本中使用；
是混合数据模型 强调空间要素的拓扑关系 几何与拓扑存储在二进制文件中，
而与之相关的属性数据位于关系数 据库中。