【组织设计】第5章空间数据组织与管理
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• 空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的， 按照发展的过程，对矢量数据的管理有：
– 文件/关系数据库混合管理 – 全关系管理 – 对象关系数据库管理
矢量数据的管理
• 文件-关系数据库混合管理
– 传统GIS软件采用文件与关系数据库混合方式管理空间 数据，比较典型的是ArcInfo，有的系统也采用纯文件 方式管理空间数据，如MapInfo；即用文件系统管理几 何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两 者之间通过目标标识或内部连接码进行连接
• 拓扑数据结构一方面虽然方便了空间数据查询和空间分析，但 另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂度
• 如拓扑的面状实体仅记录组成它的弧段标识，因而进行查找、 显示和分析操作时都需要操作和检索多个数据文件
– 多尺度与多态性
• 不同观察比例尺具有不同的尺度和精度，同一地物在不同情况 下也会有形态差异
空间数据库
• 空间数据库的组成
– 栅格数据库
• 栅格数据包括航空遥感影
像数据和DEM数据
影
– 矢量数据库
像 • 矢量数据则包括各种空间
实体数据（图形和属性数
据）
空间数据库 空间对象
图形
属性
空间数据库组成
数字 高程 模型
空间数据管理
• 空间数据的基本特征
– 空间特征
• 每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特 征，因此数据库应对空间数据建立空间索引
• 如城市在空间上占据一定的范围，在较大比例尺中作为面状空 间实体对象，而在较小比例尺中，则作为点状空间对象来处理
空间数据管理
• 空间数据的基本特征
– 分类编码特征
• 每个空间对象都有一个分类编码，这种分类编码往往是按照国 家标准，或者行业标准、地区标准来应用
– 海量数据特征
• GIS中数据量非常庞大，远大于一般的通用数据库，称为海量 数据
基本操作 – 地理信息表达复杂，表达单个地理实体需多个文件、多条记录，
或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性 数据的关键字以及非空间专题属性等 – 具有高度内部联系的GIS数据记录需要复杂的安全维护系统，为 了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列 必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据 文件产生错误
数据库基础
文件系统
网状数据库管理系统
层次数据库管理系统
面向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 数据模.型演化
空间数据库
• 地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库） 是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；是地理 信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理 空间数据的总和
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中空间数据记录是变长的（存储的坐标点的数目随 空间对象的变化而变化），而一般数据库都只允许把 记录的长度设定为固定长度。另外，在存储和维护空 间数据拓扑关系方面，DBMS也存在着缺陷
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
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
– 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）
– 非结构化特征
• 在关系数据库管理系统中，数据记录中每条记录都是定长的 （结构化），数据项不能再分，不允许嵌套记录，空间数据不 满足这种定长（结构化）要求，使得空间图形数据难以直接采 用通用的关系数据管理系统
空间数据管理
• 空间数据的基本特征
– 空间关系特征
• 空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，还通过拓扑数 据结构表达了多种空间关系
• 一个城市地理信息系统数据量可达几十GB，如果考虑影像数 据的存储，可能达到几百个GB
• 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、叠加等
– 数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体， 要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位 置和空间关系等，其数据量往往很大
– 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据 性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素 空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可 分割的联系
– 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用 和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设 等
• 空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的 场所
• 空间数据库系统在整个地理信息系统中占有极其重要的地 位，是地理信息系统发挥功能和作用的关键，主要表现在： 用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据， 在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中
空间数据库
• 空间数据库的特点：
第5章 空间数据组织源自文库管理
朱莹
主要内容
• 空间数据库概述 • 空间数据管理 • 空间数据组织 • 空间索引 • 空间数据库查询语言
空间数据库概述
• 数据库基础
– 数据是描述事物的符号记录，可以是数字形式，也可 以是文字、图形、图像、声音、语言等多种表现形式
– 数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享 的数据集合
OID（目标ID 或内部连接码）
图形数据 属性数据
矢量数据的管理
• 文件-关系数据库混合管理方式的缺点：
– 属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算， 模型操作运算速度慢
– 数据发布和共享困难 – 属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、一致
性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺 少基本的功能 – 缺乏表示空间对象及其关系的能力
– 文件/关系数据库混合管理 – 全关系管理 – 对象关系数据库管理
矢量数据的管理
• 文件-关系数据库混合管理
– 传统GIS软件采用文件与关系数据库混合方式管理空间 数据，比较典型的是ArcInfo，有的系统也采用纯文件 方式管理空间数据，如MapInfo；即用文件系统管理几 何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两 者之间通过目标标识或内部连接码进行连接
• 拓扑数据结构一方面虽然方便了空间数据查询和空间分析，但 另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂度
• 如拓扑的面状实体仅记录组成它的弧段标识，因而进行查找、 显示和分析操作时都需要操作和检索多个数据文件
– 多尺度与多态性
• 不同观察比例尺具有不同的尺度和精度，同一地物在不同情况 下也会有形态差异
空间数据库
• 空间数据库的组成
– 栅格数据库
• 栅格数据包括航空遥感影
像数据和DEM数据
影
– 矢量数据库
像 • 矢量数据则包括各种空间
实体数据（图形和属性数
据）
空间数据库 空间对象
图形
属性
空间数据库组成
数字 高程 模型
空间数据管理
• 空间数据的基本特征
– 空间特征
• 每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特 征，因此数据库应对空间数据建立空间索引
• 如城市在空间上占据一定的范围，在较大比例尺中作为面状空 间实体对象，而在较小比例尺中，则作为点状空间对象来处理
空间数据管理
• 空间数据的基本特征
– 分类编码特征
• 每个空间对象都有一个分类编码，这种分类编码往往是按照国 家标准，或者行业标准、地区标准来应用
– 海量数据特征
• GIS中数据量非常庞大，远大于一般的通用数据库，称为海量 数据
基本操作 – 地理信息表达复杂，表达单个地理实体需多个文件、多条记录，
或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性 数据的关键字以及非空间专题属性等 – 具有高度内部联系的GIS数据记录需要复杂的安全维护系统，为 了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列 必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据 文件产生错误
数据库基础
文件系统
网状数据库管理系统
层次数据库管理系统
面向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 数据模.型演化
空间数据库
• 地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库） 是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；是地理 信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理 空间数据的总和
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中空间数据记录是变长的（存储的坐标点的数目随 空间对象的变化而变化），而一般数据库都只允许把 记录的长度设定为固定长度。另外，在存储和维护空 间数据拓扑关系方面，DBMS也存在着缺陷
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
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
– 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）
– 非结构化特征
• 在关系数据库管理系统中，数据记录中每条记录都是定长的 （结构化），数据项不能再分，不允许嵌套记录，空间数据不 满足这种定长（结构化）要求，使得空间图形数据难以直接采 用通用的关系数据管理系统
空间数据管理
• 空间数据的基本特征
– 空间关系特征
• 空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，还通过拓扑数 据结构表达了多种空间关系
• 一个城市地理信息系统数据量可达几十GB，如果考虑影像数 据的存储，可能达到几百个GB
• 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、叠加等
– 数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体， 要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位 置和空间关系等，其数据量往往很大
– 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据 性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素 空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可 分割的联系
– 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用 和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设 等
• 空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的 场所
• 空间数据库系统在整个地理信息系统中占有极其重要的地 位，是地理信息系统发挥功能和作用的关键，主要表现在： 用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据， 在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中
空间数据库
• 空间数据库的特点：
第5章 空间数据组织源自文库管理
朱莹
主要内容
• 空间数据库概述 • 空间数据管理 • 空间数据组织 • 空间索引 • 空间数据库查询语言
空间数据库概述
• 数据库基础
– 数据是描述事物的符号记录，可以是数字形式，也可 以是文字、图形、图像、声音、语言等多种表现形式
– 数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享 的数据集合
OID（目标ID 或内部连接码）
图形数据 属性数据
矢量数据的管理
• 文件-关系数据库混合管理方式的缺点：
– 属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算， 模型操作运算速度慢
– 数据发布和共享困难 – 属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、一致
性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺 少基本的功能 – 缺乏表示空间对象及其关系的能力