空间数据组织与管理

•地图输出不美观
•难以建立网络连接关系
•技术复杂，特别是软硬件
•投影变换比较费时
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空间数据组织与管理
数 要素还是位置？ 据 可获取的数据 结 定位要素的必要精度 构 需要什么类型的要素 选 需要什么类型的拓扑关联 择 所需空间分析类型
原 生产地图类型 则
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空间数据组织与管理
系
•GIS用户界面
数
据
•ID
库 •几 •属
混 •何 •性
•图形用户界面 •属性用户界面
合 管
•数 •数 •据 •据 •早
•期
•图形处理
•DBMS
•高级语言 •数据库开发语言
•图形处理
•DBMS
•图形 •文件库
•属性 •数据库
•GIS用户界面
理 方 案
•数 •据 •文 •件
•数 •据 •库
•图形 •文件库
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•G •G•G•G•A•G•G•A•A•G•A•A•A
空间数据组织与管理
栅格数据结构：数据分层
•建筑物 •Z
•森林 •土壤 •地貌
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•Y •X
空间数据组织与管理
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
•属性 •数据库
•高级语言 •图形处理
•ODBC协议
•DBMS
•图形 •文件库
•属性 •数据库
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空间数据组织与管理
全 关 系 式 数 据 库 管 理 方 案
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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
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
数据模型
层次模型 网络模型 关系模型
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空间数据组织与管理
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
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
续
）
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空间数据组织与管理
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 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。
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空间数据组织与管理
•点状 •目标标识 •地物编码 •坐 标 •关联的线目标 •对象 •目标标识 •控制点等级 •精度 •测量年限 •测量单位 •……
•空 •间 •对 •象
•线状 •目标标识 •地物编码 •坐 标串 •起点、终点、左面、右面 •对象 •目标标识 •等级 •路面材料 •宽度 •修建时间 •管养单位 •……
存储：
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
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
•…
•栅格数据文件
•层1 •像元1 •X,Y,属性值
•像元2 •X,Y,属性值
•…
•…
•像元n •X,Y,属性值
•层2
•…
•像元n
•层n
•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
•层2
•…
•层n
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空间数据组织与管理
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
•面 •线
•点
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空间数据组织与管理
栅格数据结构：坐标系与描述参数
•格网方向
•格网分辨率
•西南角格网坐 标
•（XWS，YWS）
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•X：行
•Y：列
空间数据组织与管理
栅格数据结构：单元值确定
•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
空间数据组织与管理
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2020/11/24
空间数据组织与管理
•
理空 间 数 据 组 织 与 管
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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
•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
•图形数据和属性数据的恢复、
•数学模拟方便
更新、综合都能实现
•面向目标，不仅能表达属性， •缺点：
而且能方便的记录每个目标 的具体属性信息
•图形数据量大
•缺点：
•数据结构复杂 •矢量叠置较为复杂 •数学模拟比较困难
•用大像元减少数据量时，精 度和信息量受损
§ 直接存储
Arc/Info、GeoStar
续
）
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：拓扑关系与数据共享 量 维护数据的一致性 数 据 结 构 （ 续 ）
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：是否需要拓扑结构?
量
数 应用目的
据 结 构
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
•点: 点号文件 •线: 点号串 •面: 点号串
点号 X Y 1 11 22 2 33 44 … …… n 55 66
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空间数据组织与管理
•
矢 矢量数据表达—拓扑数据结构
量 数 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
据 表达方式
结
全显式表达 部分显式表达
构 拓扑关系物理实现
•N1 •N2 •N3 •N4 •N5
（
•A4 •A7 •A8
•面-弧拓扑 •面
•弧段
续
•N4
）
•弧-点拓扑 •弧 •点-弧拓扑 •点 •弧-面拓扑 •弧
•起点 •弧段 •左面
•终点 •右面
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•
矢
量 拓扑结构：部分显式表达
数
据
用上述部分表格表示空间目标的拓扑关
结 构
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空间数据组织与管理
文
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
件
致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。
关
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
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
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空间数据组织与管理
传统数据库与空间数据库的比较
数据连续性/相关性 实体类型/空间关系
记录长度 查询与操作
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传统数据库
•A
•分类较细、 •地物斑块较小wk.baidu.com
•AB
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空间数据组织与管理
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 •R •A •A •A •2 •A •A •A •R •A •A •A •A •3 •A •A •A •R •A •G •G •A •4 •A •A •A •R •A •G •G •A
的关系
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空间数据组织与管理
•几何偏差
•c
•c
•ac距离: 7/4 (5)
•5
•面积: 7
(6)
•3
•a
•4
•b
•a
•b
•属性偏差
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空间数据组织与管理
矢 量 栅 格 数 据 较 比
•矢量数据
•栅格数据
•优点：
•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
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
空间数据组织与管理
•
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
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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。
空间数据组织与管理
•
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
•数据库
•独立编码
•标识码 •属性码 •存储方法
•点位字典
•空间对象编码 •唯一 •连接几何和属性数据
•点: ( x ,y ) •线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) •面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
（
直接存储 串行指针
续 拓扑关系与数据共享
） 采用拓扑关系的原则
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：全显式表达
量
•M
数
•N2
•面
据
•A1 •A2 •A5
•弧
结
•B1 •B2
•点
构•N1 •A3 •N5 •A6 •N3 •B3 •B4
•B1 •B2 •B3 •B4 •A1 •A2 •A3 •A4 •A5 •A6 •A7 •A8
空间数据组织与管理
•
矢 量 数 据 结 构
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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）
不连续 相关性小
少 简单固定 结构化
等长
文字、数字
空间数据库
连续 较强空间相关性
多 复杂且不固定
非结构化 不等长 文字数字 空间图形
空间数据组织与管理
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。
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
续 拓扑关系
）
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：物理实现
量
数 § 串行指针
据
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
结
室）
构 （
TIGER（美国人口调查局）
•数据结构: 行号, 属性, 重复次数 •1, A, 4, R, 1, A, 4
•8 •R •A •A •A •A •A •A •A
•块状编码 •四叉树编码
•NW •NE •SW •SE
•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),…
•链式编码 •起点行列号，单位矢量
•R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3
•5 •6 •7
•4
•0
•3
•1
•2
•5 •A •A •R •A •G •G •G •G •6 •A •R •A •A •G •G •G •A •7 •A •R •A •A •G •G •G •A
•游程长度编码 •逐行编码
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。
获取方式：
遥感数据
构
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
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•面状 •目标标识 •地物编码 •边界目标号 •对象 •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
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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
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空间数据组织与管理
•
栅 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
格 数 据 结
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。