空間數(shù)據(jù)組織與管理解析課件

1、第二第三講2.3 空間數(shù)據(jù)組織與管理1、空間數(shù)據(jù)庫概述2、空間數(shù)據(jù)管理3、空間數(shù)據(jù)組織4、空間索引5、空間數(shù)據(jù)庫查詢語言現(xiàn)實世界到數(shù)字世界的轉(zhuǎn)換1、空間數(shù)據(jù)庫概述1）數(shù)據(jù)庫的定義 數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機內(nèi)的有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)模型組織，描述和存儲，具有較小的冗余度，較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享。目前，數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中最常用的數(shù)據(jù)模型有四種： 層次模型 網(wǎng)狀模型 關(guān)系模型 面向?qū)ο竽Ｐ?） 空間數(shù)據(jù)庫的概念 地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫：簡稱空間數(shù)據(jù)庫或地理數(shù)據(jù)庫，是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合；是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)存儲的與應(yīng)

2、用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和，一般是以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件的形式組織在存儲介質(zhì)之上的。 空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比，具有以下特點： 1、數(shù)據(jù)量特別大 2、數(shù)據(jù)內(nèi)容包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及二者之間的關(guān)系 3、數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛2、空間數(shù)據(jù)管理 1）空間數(shù)據(jù)的基本特征空間性：形狀、位置、分布與空間關(guān)系多尺度與多態(tài)性：尺度與維數(shù)變化多時空性：時間序列與空間序列抽象性：分類編碼，空間降維非結(jié)構(gòu)化特征：結(jié)構(gòu)化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項是原子數(shù)據(jù).而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。海量數(shù)據(jù)特征2）矢量數(shù)據(jù)的管理 對于矢量數(shù)據(jù)，其位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通常是分開組織的，這一特

3、點使得在管理時需要同時提及空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中屬性數(shù)據(jù)很適合用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理，空間位置數(shù)據(jù)不太適合用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來管理。 空間數(shù)據(jù)管理方式與數(shù)據(jù)庫發(fā)展是密不可分的，按照發(fā)展的過程，對矢量數(shù)據(jù)的管理有：基于文件管理的方式、文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)、全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)缺點：1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時，應(yīng)用程序也隨之改變。2）以文件形式共享，當(dāng)多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可。不能達(dá)到真正的共享，即數(shù)據(jù)項、記錄項的共享。GIS應(yīng)用1空間、屬性數(shù)據(jù)文件1GIS應(yīng)用2空間、屬性數(shù)據(jù)文件2空間、屬性數(shù)據(jù)文件3 基于

4、文件管理的方式 文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)雙元模型GIS應(yīng)用軟件Arc/Info 圖形用戶界面ArcEdit屬性用戶界面Tables圖形數(shù)據(jù)文件庫屬性數(shù)據(jù)庫圖形處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)oid除oid作為連接關(guān)鍵字以外，幾乎是兩者獨立地組織、管理和檢索。屬性數(shù)據(jù)oid圖形數(shù)據(jù)1) 圖形與屬性結(jié)合的各自分開處理模式-早期系統(tǒng): 圖形處理的用戶界面和屬性的用戶界面是分開的，它們只是通過一個內(nèi)部碼連接。通常要同時啟動兩個系統(tǒng)，甚至兩個系統(tǒng)來回切換，不方便。幾何圖形: 圖形用戶界面與圖形文件處理是一體的，中間沒有裂縫。屬性數(shù)據(jù)，則因系統(tǒng)和歷史發(fā)展而異。2)圖形與屬性結(jié)合的混合處理模式 GIS 通過DBM

5、S提供的高級編程語言C或Fortran等接口，在C語言的環(huán)境下，直接操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)庫，并在GIS的用戶界面下，顯示查詢結(jié)果。 在ODBC(Open DataBase Connectivity,開放式數(shù)據(jù)庫互連)推出后，GIS軟件商只需開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可將屬性數(shù)據(jù)與任何一個支持ODBC的RDBMS連接。這樣用戶可在一個界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。用戶界面C語言C或ODBC圖形處理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)文件庫屬性數(shù)據(jù)庫 采用文件與RDBMS的混合管理模式中文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺少基本的功能。因而G

6、IS軟件商需要尋找能同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)的商用DBMS。 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分層模型 GIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。GIS應(yīng)用擴展DBMS以容納空間數(shù)據(jù)商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫用RDBMS管理圖形數(shù)據(jù)有兩種模式：a、基于關(guān)系模型的方式，圖形數(shù)據(jù)按關(guān)系數(shù)據(jù)模型組織。由于涉及一系列關(guān)系連接運算，費時。 例如：b、將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成Binary Block字段（多媒體或變長文本）。省去大量關(guān)系連接操作，但Binary Block的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。 對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) DBMS軟件商在RDB

7、MS中進(jìn)行擴展，使之能直接存儲和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Informix 和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的函數(shù)。 主要解決空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，效率比二進(jìn)制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)要求再定義，使用上受一定限制。GIS應(yīng)用空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊 商用DBMS空間和屬性數(shù)據(jù)庫3）柵格數(shù)據(jù)的管理 隨著GIS應(yīng)用的深入，遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、柵格化地理數(shù)據(jù)在整個GIS領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，影像數(shù)據(jù)具有信息豐富，覆蓋面廣和經(jīng)濟(jì)，方便，快速獲取等優(yōu)點。 柵格影像數(shù)據(jù)，不僅包含了屬性信

8、息，還包含了隱藏的空間位置信息（格網(wǎng)行，列信息），即隱含著屬性數(shù)據(jù)與空間位置數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 對柵格數(shù)據(jù)的管理有：基于文件管理的方式、文件結(jié)合關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理、完全基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理。 文件管理 目前大部分GIS軟件和遙感圖像處理軟件都是應(yīng)用文件方式來管理遙感影像數(shù)據(jù)。 缺點： （1）由于遙感影像數(shù)據(jù)庫并不是僅僅包含圖像數(shù)據(jù)本身，而且還包含大量的圖像元數(shù)據(jù)信息（如圖像類型，攝影日期，攝影比例尺等），遙感圖像數(shù)據(jù)本身還具有多數(shù)據(jù)源，多時相等特點。 （2）無法保證數(shù)據(jù)的安全性，并發(fā)控制和數(shù)據(jù)共享等。 文件數(shù)據(jù)庫管理方式為了改進(jìn)文件方式管理影像數(shù)據(jù)的效率，一種新的管理方式被提出來：文件+數(shù)據(jù)庫管理

9、方式。 （1）影像數(shù)據(jù)仍然以文件方式組織管理； （2）在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，每個影像文件都有唯一的標(biāo)識號（ID）對應(yīng)影像信息，如文件名稱，存儲路徑等。 關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理 基于擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫的影像數(shù)據(jù)庫管理，是將影像數(shù)據(jù)存儲在二進(jìn)制定長字段中。然后應(yīng)用程序通過數(shù)據(jù)訪問接口來訪問數(shù)據(jù)庫中的影像數(shù)據(jù)。同時影像數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息也存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表中，二者可以進(jìn)行無縫管理。 優(yōu)點： 所有數(shù)據(jù)集中存儲，數(shù)據(jù)安全，易于共享； 管理多數(shù)據(jù)源和多時態(tài)的數(shù)據(jù)； 發(fā)揮事務(wù)處理和并發(fā)控制，有利于多用戶的訪問與共享； 影像數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)集成到一起，能方便的進(jìn)行交互式查詢。 4）空間數(shù)據(jù)庫引擎 采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫與文件混合管理模式的

10、傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)，在應(yīng)用上取得了一定的成功，但不得不部分地采取文件方式管理，總體上無法達(dá)到數(shù)據(jù)庫技術(shù)冗余度，獨立性等要求。用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術(shù)統(tǒng)一存放和管理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)是GIS發(fā)展的必然趨勢。 目前，較為成熟的數(shù)據(jù)庫引擎主要包括ESRI公司的ArcSDE，Mapinfo公司的SpatialWare，以及數(shù)據(jù)庫廠商Oracle公司的Spatial等產(chǎn)品和技術(shù)。 目前空間數(shù)據(jù)庫引擎主要有兩種方式： 1.中間件方式 2.數(shù)據(jù)庫本身擴展4）空間數(shù)據(jù)庫引擎 （1） OracleSpatial：只是在原來的數(shù)據(jù)庫模型上進(jìn)行了空間數(shù)據(jù)模型的擴展，實現(xiàn)的是“點、線、面”等簡單要素的存儲和檢索，它不能

11、存儲數(shù)據(jù)之間復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系，也不能建立一個空間幾何網(wǎng)絡(luò)。 （2）ArcSDE：是ArcGIS與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的GIS通道。它允許用戶在多種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中管理地理信息，并使所有的ArcGIS應(yīng)用程序都能夠使用這些數(shù)據(jù)。ArcSDE從空間數(shù)據(jù)管理的角度來看，ArcSDE可看成是一個連續(xù)的空間數(shù)據(jù)模型，借助這一模型，我們可用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（RDBMS）管理空間數(shù)據(jù)。在RDBMS中融入空間數(shù)據(jù)后，ArcSDE可以提供對空間、非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率操作的數(shù)據(jù)庫服務(wù)。由于ArcSDE采用的是客戶/服務(wù)器（Client/Server）體系結(jié)構(gòu)，大量用戶可同時并發(fā)地對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。ArcSDE的體系結(jié)構(gòu)：C

12、ustomAppsCad ClientArcSDEYourDatabaseSolution2- & 3-tierclient/serversolutionsArcSDE 支持的 RDBMS產(chǎn)品OracleSQL ServerInformixIBM DB2RDBMS10 Main StArcSDE ArcSDE是多用戶ArcGIS系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件。它為DBMS提供了一個開放的接口，允許ArcGIS在多種數(shù)據(jù)庫平臺上管理地理信息。這些平臺包括Oracle，Oracle with Spatial/Locator，Microsoft SQL Server, IBMDB2，和Informix。 服務(wù)器

13、GIS ArcSDE 功能 3、空間數(shù)據(jù)組織1）圖幅數(shù)據(jù)組織 GIS中將某一問題域或某一項GIS任務(wù)稱為一個GIS工程，由于GIS工程涉及范圍廣（如全市，全省，全國甚至全球），在管理空間數(shù)據(jù)時必須進(jìn)行分幅管理（同傳統(tǒng)地圖分幅）。 圖幅一般對應(yīng)一塊區(qū)域，常見的分幅方式有標(biāo)準(zhǔn)分幅和區(qū)域分幅。 （1）標(biāo)準(zhǔn)分幅 （2）區(qū)域分幅分層區(qū)域分塊空間數(shù)據(jù)庫GIS應(yīng)用大范圍 地理區(qū)域合理組織面向?qū)ο蠼M織矩形分塊經(jīng)緯度分塊空間數(shù)據(jù)的組織地理數(shù)據(jù)的分層 空間數(shù)據(jù)可按某種屬性特征形成一個數(shù)據(jù)層，稱為圖層（Coverage）。1、空間數(shù)據(jù)分層方法：1）專題分層 每個圖層對應(yīng)一個專題，包含某一種或某一類數(shù)據(jù)。2）時間序列

14、分層即把不同時間或不同時期的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。3）地面垂直高度分層把不同高度的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。 專題分層時間序列Z空間數(shù)據(jù)分層的目的：便于空間數(shù)據(jù)的管理、查詢、顯示、分析等。1）空間數(shù)據(jù)分為若干數(shù)據(jù)層后，對所有空間數(shù)據(jù)的管理就簡化為對各數(shù)據(jù)層的管理，而一個數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往比較單一，數(shù)據(jù)量也相對較小，管理起來就相對簡單；2）對分層的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時，不需要對所有空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，只需要對某一層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢即可，因而可加快查詢速度；3）分層后的空間數(shù)據(jù)，由于便于任意選擇需要顯示的圖層，因而增加了圖形顯示的靈活性；4）對不同數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加，可進(jìn)行各種目的的空間分析。 2）空間數(shù)據(jù)的圖

15、庫管理 圖庫管理是海量空間數(shù)據(jù)管理的需要，是大型GIS軟件的必備功能，其管理效率是衡量GIS軟件優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。為了提高海量空間數(shù)據(jù)的管理效率，GIS必須建立強有力的空間索引和查詢機制。 分層、分幅、分層索引3）屬性數(shù)據(jù)的組織屬性數(shù)據(jù)由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理，但它的文件組織方式也要服從上述工作層、工作區(qū)和圖庫的要求，以便于圖形文件協(xié)調(diào)工作，共同組成工作區(qū)，工作層，并進(jìn)行跨圖幅操作。在不同的商業(yè)化軟件中，屬性文件組織方式各不相同，主要有以下三種方式： （1）與工作層對應(yīng)的組織方式 （2）與地物類對應(yīng)的組織方式 （3）混合方式4、空間索引空間索引 指根據(jù)空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種

16、空間關(guān)系按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包括空間對象的概要信息，如對象的標(biāo)識，外接矩形及指向空間對象實體的指針。 作為一種輔助性的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，空間索引介于空間操作算法和空間對象之間，它通過篩選作用，大量與特定空間操作無關(guān)的空間對象被排除，從而提高空間操作的速度和效率。目前，常見空間索引方法有對象范圍索引，格網(wǎng)索引，四叉樹空間索引，R樹，R樹空間索引?？臻g索引的性能的優(yōu)越直接影響空間數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)的整體性能?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)較為簡單的格網(wǎng)型空間索引在各GIS軟件和系統(tǒng)中（如ArcGIS）都有著廣泛的應(yīng)用。 5、空間數(shù)據(jù)庫查詢語言擴展SQL 空間數(shù)據(jù)查詢語言是通過對標(biāo)準(zhǔn)SQL的擴展來形成的，即在數(shù)據(jù)庫查詢語言上加入空間關(guān)系查詢。為