第四章 空间数据组织与管理PPT课件
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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
空间数据组织空间数据管理❑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●统一数据管理模式空间数据组织与管理定义：❑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）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❑属性数据组织矢量数据结构矢量数据表达—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。
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量数据结构（续）标识码属性码空间对象编码唯一连接几何和属性数据数据库独立编码点: ( x ,y )线: ( x 1 , y 1 ) , (x 2 , y 2 ) , … , ( x n , y n )面: ( x 1, y 1) , (x 2, y 2) , …, ( x 1, y 1)点位字典点: 点号文件线: 点号串面: 点号串点号X Y 1112223344………n5566存储方法量数据结构（续）矢量数据表达—拓扑数据结构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 表达方式●全显式表达●部分显式表达拓扑关系物理实现●直接存储●串行指针拓扑关系与数据共享 采用拓扑关系的原则量数据结构（续）拓扑结构：全显式表达N1B2N2N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面量数据结构（续）拓扑结构：部分显式表达●用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系⏹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拓扑关系量数据结构（续）拓扑结构：物理实现▪串行指针面-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室）TIGER （美国人口调查局）▪直接存储Arc/Info 、GeoStar矢量数据结构（续）拓扑结构：拓扑关系与数据共享维护数据的一致性矢量数据结构（续）拓扑结构：是否需要拓扑结构?❑应用目的●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❑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-点矢量数据结构（续）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。
《空间数据库》PPT课件
网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连 接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 。
学校名称 西科大
学院 教师数 学生数 研究生
环资系系名名
教师数 学生数 研究生 52教师数 300学生数 70研究生
土木 信控
49
257
71
学号 姓名 年级 籍贯
系名 00231系2 名
张教三教师师数数
学3学生生数数广东研究生
2
b
3e
M
5
a
Ⅰc
Ⅱ
f
1
d
4
g
6
地图
M
Ⅰ
Ⅱ
多边形
Ⅰa b c d Ⅱc e f g
Ⅰ
a
1
2
线
Ⅰ
b
2
3
Ⅰ
c
3
4
Ⅰ
d
4
1
Ⅱ
e
3
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Ⅱ
f
5
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Ⅱ
g
6
4
点
1 x1 y1
2 x2 y2 3 x3 y3 4 x4 y4 5 x5 t5 6 x6 y6
关系数据库模型的优、缺点
优点： 结构特别灵活，具有严密的数学基础和操作代数
GIS数据库的特征（2）
非结构化特征：在当前通用的关系数据库管理系统中，数 据记录一般是结构化的，即它满足关系数据模型的第一范 式要求，也就是说每一条记录是定长的，数据项表达的只 能是原始数据，不允许镶嵌记录，而空间数据则不能满足 这种结构化要求。
分类编码特征：一般而言，每一个空间对象都有一个分类 编码，而这种分类编码往往属于国家标准，或行业标准， 或地区标准，每一种地物的类型在某个GIS中的属性项个 数是相同的。因而在许多情况下，一种地物类型对应于一 个属性数据表文件。
空间数据组织与管理
第二节 空间数据管理
矢量数据的管理—混合管理模式
GIS工具 用户接口
管理几何数 据的软件
4.1 数据库根底
第一节 空间数据库概述
数据模型—关系模型
1、表中的每一个属性必须有一个唯一的名字。
关系数据库表的规那么
2、行的顺序不是重要的影响因素。 3、任意两个记录(行)不能完全一样。 4、每一个属性应仅包含一个值。
4.1 数据库根底
第一节 空间数据库概述
空间数据库的概念
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，一般是以一系列特定构 造的文件的形式组织在存储介质之上的。换句话说， 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。
第一节 空间数据库概述
4.1 数据库根底〔数据模型—关系模型〕
2 b 3 e 5 地图M Ⅰ
Ⅱ
a
Ⅰc Ⅱf
1
d
g
4
6
多边形
地图M
Ⅰa 1 2
Ⅰa b c d Ⅱc e f g
Ⅰb 2 3 Ⅰc 3 4 Ⅰd 4 1
线 Ⅱe 3 5
Ⅱf 5 6 Ⅱc 3 4 Ⅱg 6 4
1
点2
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x1 y1 x2 y2 x3 y3 x4 y4 x5 y5 x6 y6
空间数据组织与管理
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第四讲 空间数据组织与管理--资料
随着数据信息资源的多用户服务，以及用户对信息数据多种方式（如检 索、分类、排序等）访问的需求，人们又研制了数据库管理系统（管理 和控制程序软件）
2019/10/22
Page 4
4.1 数据库基础
第一节 空间数据库概述
数据库的概念
数据库是由两个最基本的部分所组成：
一是原始信息数据库，即描述全部原始要素信息的原始数据，也是数据
几何数据 数据库
坐标文件
ID X,Y,Z
拓扑文件
ID Link
2019/10/22
属性文件
ID 属性
属性数据 数据库
Page 29
第二节 空间数据管理
矢量数据的管理—一体化管理模式
GIS工具 用户接口
扩展的 商业DBMS
几何和属性 数据 数据库
坐标文件
ID X,Y,Z
拓扑文件
ID Link
属性文件
d g
Page 17
4.1 数据库基础
数据模型—关系模型
第一节 空间数据库概述
2019/10/22
Page 18
4.1 数据库基础
第一节 空间数据库概述
数据模型—关系模型
目前关系模型应用最多。面向目标 模型正在迅速发展之中
2019/10/22
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4.1 数据库基础
数据模型—关系模型
第一节 空间数据库概述
ID 属性
2019/10/22
一体化空间数据库模式1
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第二节 空间数据管理
矢量数据的管理—一体化管理模式
GIS工具 用户接口
定制的专门 DBMS
几何和属性 数据 数据库
坐标文件
ID X,Y,Z
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4.1 数据库基础
第一节 空间数据库概述
数据库的概念
数据库是由两个最基本的部分所组成：
一是原始信息数据库，即描述全部原始要素信息的原始数据，也是数据
几何数据 数据库
坐标文件
ID X,Y,Z
拓扑文件
ID Link
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属性文件
ID 属性
属性数据 数据库
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第二节 空间数据管理
矢量数据的管理—一体化管理模式
GIS工具 用户接口
扩展的 商业DBMS
几何和属性 数据 数据库
坐标文件
ID X,Y,Z
拓扑文件
ID Link
属性文件
d g
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4.1 数据库基础
数据模型—关系模型
第一节 空间数据库概述
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4.1 数据库基础
第一节 空间数据库概述
数据模型—关系模型
目前关系模型应用最多。面向目标 模型正在迅速发展之中
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4.1 数据库基础
数据模型—关系模型
第一节 空间数据库概述
ID 属性
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一体化空间数据库模式1
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第二节 空间数据管理
矢量数据的管理—一体化管理模式
GIS工具 用户接口
定制的专门 DBMS
几何和属性 数据 数据库
坐标文件
ID X,Y,Z
空间数据管理 PPT课件
11
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。
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。
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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。
第四章-空间数据库
1 2 3 4 5
x
26.7 28.4 46.1 31.3 68.4
y
23.5 46.5 42.5 45.6 38.7
地 图
M
Ⅰ
Ⅱ
2 a 1
b Ⅰ d c 4
3
e Ⅱ g
5 f
M
多 形 边
Ⅰ Ⅱ
点
a c b e c f d g
1 2 3 4
x1 x2 x3 x4 x5 x6
y1 y2 y3 y4 t5 y6
学校名称 西北大学
系名 教师数 学生数 研究生 系名 教师数 学生数 研究生 城资系 系名 52 教师数 300 学生数 70 研究生 49 257 71 地质系 化学系
学号 姓名 年级 籍贯 系名 教师数 学生数 002312 系名 张三 教师数 3 学生数广东 研究生
教师号 姓名 年龄 职称 系名 教师数 学生数 66 系名 李四 教师数 30 学生数教授 研究生
数据库技术是20世纪 年代初开始发展起来的一 数据库技术是 世纪60年代初开始发展起来的一 世纪 门数据管理自动化的综合性新技术。 门数据管理自动化的综合性新技术。 一、数据库 数据库： 为了一定的目的 ， 在计算机系统中以特定的 数据库 ： 为了一定的目的， 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 空间数据库： 即地理信息系统的数据库， 空间数据库 ： 即地理信息系统的数据库 ， 是某区域内 关于一定地理要素特征的数据集合。 关于一定地理要素特征的数据集合。
1、计算机对数据的管理阶段
经过了三个阶段 ： 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段
（1）程序管理阶段 变量赋值、运算、输出均在一个程序中进行，值变程 序就变。 如：add.c #include “stdio.h” main() { int a,b,c; a=3; b=5; c=a+b; printf(“c=%d\n”,c); } 编译后生成add.exe。
x
26.7 28.4 46.1 31.3 68.4
y
23.5 46.5 42.5 45.6 38.7
地 图
M
Ⅰ
Ⅱ
2 a 1
b Ⅰ d c 4
3
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5 f
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多 形 边
Ⅰ Ⅱ
点
a c b e c f d g
1 2 3 4
x1 x2 x3 x4 x5 x6
y1 y2 y3 y4 t5 y6
学校名称 西北大学
系名 教师数 学生数 研究生 系名 教师数 学生数 研究生 城资系 系名 52 教师数 300 学生数 70 研究生 49 257 71 地质系 化学系
学号 姓名 年级 籍贯 系名 教师数 学生数 002312 系名 张三 教师数 3 学生数广东 研究生
教师号 姓名 年龄 职称 系名 教师数 学生数 66 系名 李四 教师数 30 学生数教授 研究生
数据库技术是20世纪 年代初开始发展起来的一 数据库技术是 世纪60年代初开始发展起来的一 世纪 门数据管理自动化的综合性新技术。 门数据管理自动化的综合性新技术。 一、数据库 数据库： 为了一定的目的 ， 在计算机系统中以特定的 数据库 ： 为了一定的目的， 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 空间数据库： 即地理信息系统的数据库， 空间数据库 ： 即地理信息系统的数据库 ， 是某区域内 关于一定地理要素特征的数据集合。 关于一定地理要素特征的数据集合。
1、计算机对数据的管理阶段
经过了三个阶段 ： 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段
（1）程序管理阶段 变量赋值、运算、输出均在一个程序中进行，值变程 序就变。 如：add.c #include “stdio.h” main() { int a,b,c; a=3; b=5; c=a+b; printf(“c=%d\n”,c); } 编译后生成add.exe。
地理信息系统空间数据组织与管理课件
文件存储
将空间数据存储在文件中，如Shapefile、GeoTIFF等格式。
分布式存储
将空间数据分散存储在多个节点上，实现数据的分布式管理和访问。
空间索引技术
R树索引
Geohash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。
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。
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 决策和规划。
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
1970年代
GIS开始商业化， 并应用于资源管理
和城市规划。
04
1990年代至今
GIS技术不断创新，
03
广泛应用于各个领
域。
1980年代
GIS普及和标准化， 开始应用于环境和
以降低存储空间和提高数据检索速度。
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
分布式存储
将空间数据分散存储在多 个节点上，以提高数据存 储的可靠性和可扩展性。
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。
地理信息系统技术已实现从静态地图向动态地图的转变，能够实时更新和监测地理 信息的变化。
地理信息系统技术发展趋势
地理信息系统技术将进一步向智 能化、自动化方向发展，提高数
据处理和地图制作效率。
地理信息系统技术将进一步与物 联网、云计算、大数据等技术融 合，实现更广泛的数据共享和应
空间数据组织与管理概述PPT(共 59张)
Slope 0 3 25
Improved No No Yes
User_ID 233 234 235
关系数据结构
Landuse Landprice
Clay
High
Loam
High
Sandy
Low
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。
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。
• 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：
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):
• 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。
• 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。
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。