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文檔簡介

第六章空間數(shù)據(jù)管理6.1概述6.2空間數(shù)據(jù)模型6.3空間數(shù)據(jù)組織6.4空間索引和空間查詢Contents目錄6.5空間數(shù)據(jù)引擎6.6元數(shù)據(jù)6.7空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計6.1

概述空間數(shù)據(jù)管理方式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)

空間數(shù)據(jù)(SpatialData)是對空間事物的描述,空間數(shù)據(jù)實質(zhì)上就是指以地球表面空間位置為參照,用來描述空間實體的位置、形狀、大小及其分布特征諸多方面信息的數(shù)據(jù)??臻g數(shù)據(jù)是一種帶有空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù),包括文字、數(shù)字、圖形、影像、聲音等多種方式??臻g數(shù)據(jù)是對現(xiàn)實世界中空間特征和過程的抽象表達,用來描述現(xiàn)實世界的目標(biāo),它記錄地理空間對象的位置、拓撲關(guān)系、幾何特征和時間特征。位置特征和拓撲特征是空間數(shù)據(jù)特有的特征。此外,空間數(shù)據(jù)還具有定位、定性、時間、空間關(guān)系等特性??臻g數(shù)據(jù)庫是應(yīng)用于管理地理空間數(shù)據(jù)的專門化數(shù)據(jù)庫,這類數(shù)據(jù)庫具有明顯的空間特征。

空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)管理方式

空間數(shù)據(jù)組織管理是地理信息系統(tǒng)的核心內(nèi)容,GIS中數(shù)據(jù)管理方法隨著GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。目前,主要有五種數(shù)據(jù)管理方法:GIS中的數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩類,空間數(shù)據(jù)描述空間實體的地理位置及其形狀;屬性數(shù)據(jù)則描述相應(yīng)空間實體有關(guān)的應(yīng)用信息。文件管理是將GIS中所有的數(shù)據(jù)都存放在自行定義的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操縱工具的一個或者多個文件中,包括非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)等??臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩者之間通過標(biāo)識碼建立聯(lián)系。文件管理文件結(jié)合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理(混合型管理)空間數(shù)據(jù)是目前絕大多數(shù)商用GIS軟件所采用的數(shù)據(jù)管理方案,已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。這種方案用商用DBMS管理屬性數(shù)據(jù),用文件系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù),空間實體位置與其屬性通過標(biāo)識碼建立聯(lián)系。文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理空間數(shù)據(jù)管理方式隨著大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫的發(fā)展和日臻完善,利用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫去管理海量的GIS數(shù)據(jù)成為可能。在全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理方式中,使用統(tǒng)一的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),空間數(shù)據(jù)以二進制數(shù)據(jù)塊的形式存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,形成全關(guān)系型的空間數(shù)據(jù)庫。GIS應(yīng)用程序通過空間數(shù)據(jù)訪問接口訪問空間數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù),通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫訪問接口訪問屬性數(shù)據(jù)。全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù),可以通過在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫中增加處理和管理空間數(shù)據(jù)功能的數(shù)據(jù)類型以支持空間數(shù)據(jù),包括點、線、面等幾何體,并且允許定義對于這些幾何體的基本操作,包括計算距離、檢測空間關(guān)系、甚至稍微復(fù)雜的運算,如緩沖區(qū)分析、疊加分析等,也可以由對象數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)“無縫”地支持。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)管理方式對象數(shù)據(jù)庫是采用全新的面向?qū)ο蟾拍顏碓O(shè)計數(shù)據(jù)庫的全新數(shù)據(jù)庫類型,但面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫并不是十全十美,它的技術(shù)與理論還不成熟,而它的缺點正好是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的強項。另外,對于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序來說,由于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫技術(shù)及數(shù)據(jù)組織模型尚未成熟,開發(fā)者無法輕易地在關(guān)系數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫之間舍此取彼,從而產(chǎn)生了一種折中的方案,即對象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(ORDB)。對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(ORDB)管理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DatabaseManagementSystem,DBMS)是在文件管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的系統(tǒng),是位于用戶與操作系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件,是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的中心樞紐,在用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件之間起到了橋梁作用。用戶(及其應(yīng)用程序)對數(shù)據(jù)庫的操作全部通過DBMS進行。最大優(yōu)點是提供了兩者之間的數(shù)據(jù)獨立性,即應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)文件時,不必知道數(shù)據(jù)文件的物理存貯結(jié)構(gòu);當(dāng)數(shù)據(jù)文件的存貯結(jié)構(gòu)改變時,不必改變應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(GeospatialDatabaseSystem)通常是指帶有數(shù)據(jù)庫的計算機系統(tǒng),采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術(shù)來管理空間數(shù)據(jù)。因此,廣義地講空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅包括空間數(shù)據(jù)庫(SpatialDatabase)本身(指實際存儲于計算機中的空間數(shù)據(jù)),還要包括相應(yīng)的計算機硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫管理人員(DatabaseAdministrator,DBA)等組成的一個運行系統(tǒng)。通過地理空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將分幅、分層、分要素、分類型的地理空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,以便于空間數(shù)據(jù)的維護、更新與分發(fā)及應(yīng)用??臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)6.2

空間數(shù)據(jù)模型傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο竽P涂臻g數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型是描述數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的工具,它是衡量數(shù)據(jù)庫能力強弱的主要標(biāo)志之一。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的核心問題之一就是設(shè)計一個好的數(shù)據(jù)模型。目前在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域,常用的數(shù)據(jù)模型有:層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系模型以及最近興起的面向?qū)ο竽P?。圖(a)以地圖M及其兩個簡單的空間實體I和II為例,簡述這幾個模型中的數(shù)據(jù)組織形式及特點。(a)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

層次數(shù)據(jù)庫模型是用樹形結(jié)構(gòu)來表示實體間聯(lián)系的模型。它將數(shù)據(jù)組織成一對多(或雙親與子女)關(guān)系的結(jié)構(gòu),其特點為:(1)有且僅有一個結(jié)點無雙親,這個結(jié)點即樹的根;(2)其它結(jié)點有且僅有一個雙親。對于前面圖(a)所示多邊形地圖可以構(gòu)造出圖(b)所示的層次模型。層次數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構(gòu)等分級數(shù)據(jù)的組織。這種數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點是層次和關(guān)系清楚,檢索路線明確。(b)層次模型傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型(c)網(wǎng)狀模型

用叢結(jié)構(gòu)(或網(wǎng)結(jié)構(gòu))來表示實體及其聯(lián)系的模型就是網(wǎng)狀模型。在該模型中,各記錄類型間可具有任意數(shù)量連接關(guān)系。一個子結(jié)點可有多個父結(jié)點;可有一個以上的結(jié)點無父結(jié)點;父結(jié)點與某個子結(jié)點記錄之間可以有多種聯(lián)系(一對多、多對一、多對多)。圖(c)是圖(a)的網(wǎng)狀模型。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特別適用于數(shù)據(jù)間相互關(guān)系非常復(fù)雜的情況,除了上面說的圖形數(shù)據(jù)外,不同企業(yè)部門之間的生產(chǎn)、消耗聯(lián)系也可以很方便地用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來表示。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型邊界關(guān)系多邊形邊號(P)邊號(E)邊長(L)

邊號(E)起結(jié)點號(SN)終結(jié)點號(EN)

結(jié)點號(N)

X

YⅠa30a12119.834.2Ⅰb40b24238.625.0Ⅰe30c23326.78.2Ⅱb40d3449.515.7Ⅱc25e41Ⅱd28邊界-結(jié)點關(guān)系結(jié)點坐標(biāo)關(guān)系關(guān)系模型

關(guān)系模型的基本思想是用二維表形式表示實體及其聯(lián)系。二維表中的每列對應(yīng)實體的一個屬性,其中給出相應(yīng)的屬性值,每一行形成一個由多種屬性組成的多元組,或稱元組(tuple),與一特定實體相對應(yīng)。實體間聯(lián)系和各二維表間聯(lián)系采用關(guān)系描述或通過關(guān)系直接運算建立。元組(或記錄)是由一個或多個屬性(數(shù)據(jù)項)來標(biāo)識,這一個或一組屬性稱為關(guān)鍵字,一個關(guān)系表的關(guān)鍵字稱為主關(guān)鍵字,各關(guān)鍵字中的屬性稱為元屬性。關(guān)系模型可由多張二維表形式組成,每張二維表的“表頭”稱為關(guān)系框架,故關(guān)系模型即是若干關(guān)系框架組成的集合。如圖(a)所示的多邊形地圖,可用下表所示關(guān)系表示多邊形與邊界及結(jié)點之間的關(guān)系。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型二維表中同一列的屬性是相同的;賦予表中各列不同名字(屬性名);二維表中各列的次序是無關(guān)緊要的;沒有相同內(nèi)容的元組,即無重復(fù)元組;元組在二維表中的次序是無關(guān)緊要的。關(guān)系模型中應(yīng)遵循以下條件:關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是它的結(jié)構(gòu)特別靈活,可滿足所有用布爾邏輯運算和數(shù)學(xué)運算規(guī)則形成的詢問要求;關(guān)系數(shù)據(jù)還能搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù),加入和刪除數(shù)據(jù)都非常方便。關(guān)系模型用于設(shè)計地理屬性數(shù)據(jù)的模型較為適宜。面向?qū)ο竽P?/p>

面向?qū)ο蟮亩x是指無論怎樣復(fù)雜的事例都可以準(zhǔn)確地由一個對象表示。每個對象都是包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實體,即是說,面向?qū)ο蟮哪P停∣bjectOrientedModel)具有封裝性的特點。對象與封裝性在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)中,每個概念實體都可以模型化為對象。對于多邊形地圖上的一個結(jié)點、一條弧段、一條河流、一個區(qū)域或一個省都可看成對象。一個對象是由描述該對象狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)和表達它的行為的一組操作(方法)組成的。分類類是關(guān)于同類對象的集合,具有相同屬性和操作的對象組合在一起。屬于同一類的所有對象共享相同的屬性項和操作方法,每個對象都是這個類的一個實例,即每個對象都可能有不同的屬性值。面向?qū)ο蟮母拍蠲嫦驅(qū)ο竽P透爬ǎ℅eneralization)在定義類型時,將幾種類型中某些具有公共特征的屬性和操作抽象出來,形成一種更一般的超類。聚集(Aggregation)聚集是指將幾個不同特征的對象組合成一個更高水平的對象。每個不同特征的對象是該復(fù)合對象的一部分,它們有自己的屬性描述數(shù)據(jù)和操作,這些是不能為復(fù)合對象所公用的,但復(fù)合對象可以從它們那里派生得到一些信息。聯(lián)合(Association)在定義對象時,將同一類對象中的幾個具有相同屬性值的對象組合起來,為了避免重復(fù),設(shè)立一個更高水平的對象表示那些相同的屬性值。面向?qū)ο竽P涂臻g地物的幾何數(shù)據(jù)模型從幾何方面劃分,GIS的各種地物可抽象為:點狀地物、線狀地物、面狀地物以及由它們混合組成的復(fù)雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構(gòu)成。GIS中面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)模型如下圖所示:GIS中的面向?qū)ο竽P兔嫦驅(qū)ο竽P屯ǔ5匚镏g的相鄰、關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過公共結(jié)點、公共弧段的數(shù)據(jù)共享來隱含表達。在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型中,數(shù)據(jù)共享是其重要的特征。將每條弧段的兩個端點(通常它們與另外的弧段公用)抽象出來,建立單獨的結(jié)點對象類型,而在弧段的數(shù)據(jù)文件中,設(shè)立兩個結(jié)點子對象標(biāo)識號,即用“傳播”的工具提取結(jié)點文件的信息,如下圖所示。拓撲關(guān)系與面向?qū)ο竽P屯負潢P(guān)系與數(shù)據(jù)共享面向?qū)ο竽P完P(guān)系數(shù)據(jù)模型和關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)基本上適應(yīng)GIS中屬性數(shù)據(jù)的表達與管理。若采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,語義將更加豐富,層次關(guān)系也更明了。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型是在包含關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上,增加面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的封裝、繼承、信息傳播等功能。右圖是以土地利用管理GIS為例的面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型。面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型6.3

空間數(shù)據(jù)組織地圖數(shù)據(jù)的基本組成圖形數(shù)據(jù)模型專題屬性數(shù)據(jù)模型圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接地理實體信息框架地圖數(shù)據(jù)的基本組成

空間物體是地圖數(shù)據(jù)的首要組成部分,此外,地圖數(shù)據(jù)還要包括發(fā)生在不同時間與地點的地理事物與現(xiàn)象。因此,地圖數(shù)據(jù)包括三個主要信息范疇:空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)和時間因素??臻g數(shù)據(jù)的主要內(nèi)容包括:空間定位——能確定在什么地方有什么事物或發(fā)生什么事情;空間量度——能計算諸如物體的長度、面積、物體之間的距離和相對方位等;空間結(jié)構(gòu)——能獲得物體之間的相互關(guān)系;空間聚合——空間數(shù)據(jù)與各種專題信息相結(jié)合,實現(xiàn)多介質(zhì)的圖、數(shù)和文字信息的集成處理,為應(yīng)用部門、區(qū)域規(guī)劃和決策部門提供綜合性的依據(jù)??臻g數(shù)據(jù)地圖數(shù)據(jù)的基本組成非空間數(shù)據(jù)又叫做非圖形數(shù)據(jù),主要包括專題屬性數(shù)據(jù)和質(zhì)量描述數(shù)據(jù)等,它表示地理實體的本質(zhì)特性,是地理實體相互區(qū)別的質(zhì)量準(zhǔn)繩,如土地利用、土壤類型等專題數(shù)據(jù)和地物要素分類信息等。非空間數(shù)據(jù)地理要素的空間與規(guī)律是地理信息系統(tǒng)的中心研究內(nèi)容,但是空間和時間是客觀事物存在的形式,兩者之間是互相聯(lián)系而不能分割的。因此,往往要分析地理要素的時序變化,闡明地理現(xiàn)象發(fā)展的過程和規(guī)律。時間因素為地理信息增加了動態(tài)性質(zhì)。在物體所處的二維平面上定義第三維專題屬性,得到的是在給定時刻的地理信息。在不同時刻,按照同一信息采集模型,得到不同時刻的地理信息序列。時間因素圖形數(shù)據(jù)模型在矢量數(shù)據(jù)中,單個地理實體是基本邏輯數(shù)據(jù)單位。根據(jù)在數(shù)據(jù)模型中所反映的實體間聯(lián)系的程度,可有兩種基本實施方案:無結(jié)構(gòu)的面條模型和反映實體間空間關(guān)系的拓撲模型。矢量數(shù)據(jù)模型面條模型在面條模型中,僅僅把實體的空間信息定義成坐標(biāo)串,不存貯任何空間關(guān)系。拓撲模型拓撲模型不僅能保證共位物體的無冗余存貯,還可利用結(jié)構(gòu)法則檢索物體間的空間關(guān)系異常。圖形數(shù)據(jù)模型

在這類模型中,基本數(shù)據(jù)元素是基于一個空間單元的。實體信息是按照這種空間單元進行采集的。面片數(shù)據(jù)模型主要表現(xiàn)為以下兩種形式:網(wǎng)格系統(tǒng)和多邊形系統(tǒng)。網(wǎng)格系統(tǒng)網(wǎng)格系統(tǒng)用規(guī)則的小面塊集合來逼近自然界不規(guī)則的地理單元。數(shù)據(jù)采集與圖像處理中普遍采用正方形,這就意味著正方形砌塊是分割二維空間的實用形式。多邊形系統(tǒng)多邊形系統(tǒng)借助任意形狀的弧段集合來精確表達地理單元的自然輪廓。它是表達面狀地理要素的重要手段。多邊形系統(tǒng)不像網(wǎng)格系統(tǒng)那樣使用簡單的二維陣列結(jié)構(gòu),各個面域單元之間的關(guān)系不是系統(tǒng)所有的,而是需要專門地建立,即要建立多邊形網(wǎng)結(jié)構(gòu)元素之間的拓撲關(guān)系。面片數(shù)據(jù)模型專題屬性數(shù)據(jù)模型各種地理信息系統(tǒng),除了管理圖形數(shù)據(jù)系統(tǒng),還在不同程度上管理和處理與圖形數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的專題數(shù)據(jù)。在層次、網(wǎng)狀和關(guān)系模型中,最常用的專題屬性數(shù)據(jù)模型是關(guān)系數(shù)據(jù)模型。圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接

在空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)一般采用分離組存貯的方法,以增強整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的靈活性,盡可能減少不必要的機時與空間上的開銷。然而,地理數(shù)據(jù)處理又要求對區(qū)域數(shù)據(jù)進行綜合性處理,其中包括圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的綜合性處理。因此,圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接也是很重要的。圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)分別管理對通用DBMS擴展以增加空間數(shù)據(jù)的管理能力屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)自成體系圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接基本上有4種方式:圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)分別管理這種方式?jīng)]有集中控制的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),它有兩種管理形式:①屬性數(shù)據(jù)是作為圖形數(shù)據(jù)記錄的一部分進行存儲的;②用單向指針指向?qū)傩詳?shù)據(jù)。如圖(a)所示。對通用DBMS擴展以增加空間數(shù)據(jù)的管理能力對通用DBMS進行必要的擴充,以增加空間數(shù)據(jù)的管理能力,使空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)在同一個DBMS管理之下。如圖(b)所示。圖形數(shù)據(jù)與專題屬性數(shù)據(jù)的連接圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)自成體系此方案為圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)彼此獨立地實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化提供了充分的可能性,以進一步適合于不同部門的數(shù)據(jù)處理方法。如圖(d)所示。屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)此結(jié)構(gòu)中有雙向指針參照,且由一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來控制,使靈活性和應(yīng)用范圍均大為提高。如圖(c)所示。地理實體信息框架

有關(guān)地理實體的各種信息內(nèi)容,可表示為描述實體記錄數(shù)據(jù)項的集合,這樣便形成一種信息框架,表示實體信息的邏輯構(gòu)成。例如,一個地理實體的信息結(jié)構(gòu)可表示為如下圖所示的兩種形式。6.4

空間索引和空間查詢空間索引空間查詢空間查詢處理查詢優(yōu)化空間索引

空間索引是指根據(jù)空間要素的地理位置、形狀或空間對象之間的某種空間關(guān)系,按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),一般包括空間要素標(biāo)識、外包絡(luò)矩形以及指向空間要素的指針。外包絡(luò)矩形是指空間要素的封裝邊界,它是每一種空間索引必不可少的要素??臻g索引的目的是為了在GIS系統(tǒng)中快速定位到所選中的空間要素,從而提高空間操作的速度和效率。矩形范圍索引是一種高效、實用的空間索引方法。其基本原理就是對空間要素的外包絡(luò)矩形進行索引。在進行空間范圍查詢時,分為兩級過濾(篩選)。初次過濾根據(jù)空間要素外包絡(luò)矩形來過濾掉大部分不在查詢范圍的空間要素。第二級過濾則用查詢空間范圍直接和初次過濾結(jié)果集中空間要素的二進制邊界坐標(biāo)比較,從而得到查詢的準(zhǔn)確結(jié)果。對外包絡(luò)矩形進行索引的方法有多種,其中在SDE中最簡單、直接的一種就是利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的索引方法來索引外包絡(luò)矩形。矩形范圍索引空間索引

單元網(wǎng)格索引思路比較簡單,其基本思想是將研究區(qū)域用橫豎劃分為大小相等或不等的網(wǎng)格,記錄每一個網(wǎng)格所包含的空間要素。當(dāng)用戶進行空間查詢時,首先計算出查詢空間要素所在的網(wǎng)格,然后通過該網(wǎng)格快速定位到所選擇的空間要素。單元網(wǎng)格索引R樹最早是由A.Guttman在1984年提出的,隨后又有了許多變形,構(gòu)成由R樹、R+樹、HibertR樹、SR樹等組成的R系列樹空間索引。R系列樹都是平衡樹的結(jié)構(gòu),非常像B樹,也具有B樹的一些性質(zhì)。R樹索引空間索引

多級索引是將多種不同或相同的索引方法組合使用,對單級索引空間或者空間范圍進行多級劃分,解決超大型數(shù)據(jù)量的GIS系統(tǒng)檢索、分析、顯示的效率問題。多級索引由于其多級的結(jié)構(gòu)特性,往往可以很好地利用計算機硬件資源的并行工作特性,如多CPU、磁盤陣列等,來提高檢索的效率。四叉樹編碼索引多級索引四叉樹空間索引的基本原理是將已知的空間范圍劃成四個相等的子空間,將每個或其中幾個子空間繼續(xù)按照一分為四的原則劃分下去,這樣就形成了一個基于四叉樹的空間劃分。四叉樹索引有滿四叉樹索引和一般四叉樹索引?;诠潭ňW(wǎng)格劃分的四叉樹索引和線性可排序四叉樹索引這兩個四叉樹索引均為滿四叉樹索引??臻g查詢對數(shù)據(jù)庫來說,一個簡單的獲取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的要求被定義為一個查詢,而以此為目的開發(fā)的語言稱為查詢語言。SQL語句的基本結(jié)構(gòu)如下:SELECT<屬性名>FROM<屬性表>WHERE<條件>。SQL語言是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫查詢語言,用于關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一種常見的商業(yè)查詢語言,是目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)領(lǐng)域中的主流查詢語言,它不僅能夠在單機的環(huán)境下提供對數(shù)據(jù)庫的各種操作訪問,而且還作為一種分布式數(shù)據(jù)庫語言用于Client/Sever(客戶機/服務(wù)器)模式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的開發(fā)。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在:①非過程化語言;②統(tǒng)一的語言;③是所有關(guān)系數(shù)據(jù)庫的公共語言。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫查詢語言空間查詢空間數(shù)據(jù)庫是一種特殊的數(shù)據(jù)庫,其應(yīng)用必須能夠處理像點、線、面這樣的復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。它與普通數(shù)據(jù)庫的最大不同在于包含空間概念,而標(biāo)準(zhǔn)SQL語言不支持空間概念,通常只提供簡單的數(shù)據(jù)類型,諸如,整型、日期型等等。SQL主要的語句類型有查詢語句和分析語句。查詢語句能夠?qū)崿F(xiàn)從某個類(可以是要素類、簡單要素類和對象類)中提取符合條件的記錄,結(jié)果形成一個新類;分析語句主要是實現(xiàn)OGC(OpenGeospatialConsortium,開放地理空間信息聯(lián)盟)規(guī)定的常用的空間分析,例如包含、求緩沖區(qū)等。

對關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢語言進行擴展包括以下三個方面:①關(guān)系模型的擴展;②OGIS標(biāo)準(zhǔn)的SQL擴展;③對象關(guān)系SQL-SQL3/SQL99??臻g查詢語言空間查詢處理

空間查詢通常采用如下圖所示的兩步算法來高效地處理這些大對象:過濾篩選步驟(Filter)和細化步驟(Refinement)。其查詢的基本思想是:首先用一個不精確的大致范圍來進行查詢,產(chǎn)生一個滿足條件的較小候選集合,然后對候選集合中的對象進行精確的篩選,產(chǎn)生最終的查詢結(jié)果。查詢優(yōu)化

查詢處理效率,是空間查詢優(yōu)化研究的一個重要內(nèi)容。查詢效率的提高主要來自兩個方面:外部環(huán)境和應(yīng)用程序。目前,空間查詢優(yōu)化研究取得了較大發(fā)展,但對于不同空間數(shù)據(jù)模型來說,優(yōu)化策略也不盡相同,主要有空間索引技術(shù)、查詢路徑的優(yōu)化、數(shù)據(jù)壓縮以及緩存等方法。查詢通常使用像SQL這樣的高級聲明性語言來表達,這意味著用戶只需要指明結(jié)果集,而獲取結(jié)果的策略則交由數(shù)據(jù)庫負責(zé)。用于度量策略或計算計劃的標(biāo)準(zhǔn),就是執(zhí)行查詢所需要的時間。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,該度量很大程度上取決于I/O代價,因為可用的數(shù)據(jù)類型和對這些類型進行操作的函數(shù)相對來說都是易于計算的,而空間數(shù)據(jù)庫由于包含了復(fù)雜數(shù)據(jù)類型和CPU密集型的函數(shù),在空間數(shù)據(jù)庫中選擇一個優(yōu)化策略的任務(wù)比在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中更為復(fù)雜。查詢路徑的優(yōu)化數(shù)據(jù)緩存技術(shù)的的工作原理是:為后臺數(shù)據(jù)庫設(shè)置大容量的緩存區(qū),用于緩沖客戶對數(shù)據(jù)庫的訪問請求,減少對服務(wù)器訪問的輸入/輸出次數(shù),從而提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的檢索效率。從廣義角度講,數(shù)據(jù)緩存技術(shù)的含義廣泛,它指對一切廣義數(shù)據(jù)的緩存。從狹義地角度講,數(shù)據(jù)緩存技術(shù)專指對后臺關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的緩存。數(shù)據(jù)緩存技術(shù)6.5

空間數(shù)據(jù)引擎空間數(shù)據(jù)引擎的概念空間數(shù)據(jù)引擎實例空間數(shù)據(jù)引擎工作原理空間數(shù)據(jù)引擎的概念

空間數(shù)據(jù)引擎是(SpatialDatabaseEngine,簡稱SDE)用來解決如何在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲空間數(shù)據(jù),使空間數(shù)據(jù)實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)庫方式管理,建立空間數(shù)據(jù)服務(wù)器的方法??臻g數(shù)據(jù)引擎提供空間數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用程序接口,是客戶端/服務(wù)器的兩層架構(gòu)軟件,它可以對空間數(shù)據(jù)進行存儲、管理??臻g數(shù)據(jù)引擎空間數(shù)據(jù)引擎的概念空間數(shù)據(jù)引擎有以下作用:與空間數(shù)據(jù)庫聯(lián)合,為任何支持的用戶提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)。提供開放的數(shù)據(jù)訪問,通過TCP/IP橫跨任何同構(gòu)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),支持分布式的GIS系統(tǒng)。SDE對外提供了空間幾何對象模型,用戶可以在此模型基礎(chǔ)之上建立空間幾何對象,并對這些幾何對象進行操作??焖俚臄?shù)據(jù)提取和分析。SDE提供快速的空間數(shù)據(jù)提取和分析功能,可進行基于拓撲的查詢、緩沖區(qū)分析、疊加分析、合并和切分等。SDE提供了連接DBMS數(shù)據(jù)庫的接口,其他的一切涉及到與DBMS數(shù)據(jù)庫進行交互的操作都是在此基礎(chǔ)之上完成。與空間數(shù)據(jù)庫聯(lián)合可以管理海量空間信息,SDE在用戶與物理數(shù)據(jù)的遠程存儲之間構(gòu)建了一個抽象層,允許用戶在邏輯層面上與數(shù)據(jù)庫交互,而實際的物理存儲則交由數(shù)據(jù)庫來管理。數(shù)據(jù)的海量是由空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來保障的。無縫的數(shù)據(jù)管理,實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲。并發(fā)訪問。空間數(shù)據(jù)引擎工作原理

空間數(shù)據(jù)引擎的工作原理如右圖所示,空間數(shù)據(jù)引擎在用戶和異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)之間提供了一個開放的接口,它是一種處于應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的中間件技術(shù),SDE客戶端發(fā)出請求,由SDE服務(wù)器端處理這個請求,轉(zhuǎn)換成為DBMS能處理的請求事務(wù),由DBMS處理完相應(yīng)的請求,SDE服務(wù)器端再將處理的結(jié)果實時反饋給GIS的客戶端??蛻艨梢酝ㄟ^空間數(shù)據(jù)引擎將自身的數(shù)據(jù)交給大型關(guān)系型DBMS,由DBMS統(tǒng)一管理,同樣,客戶也可以通過空間數(shù)據(jù)引擎從關(guān)系型DBMS中獲取其他類型的GIS數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)換成為客戶端可以使用的方式??臻g數(shù)據(jù)引擎實例

以MapGIS-SDE軟件為例,介紹空間數(shù)據(jù)引擎如何在大型商用數(shù)據(jù)庫(如:Oracle、SQLServer、DB2、Informix、DM4)有效地存貯管理空間數(shù)據(jù)。MapGIS-SDE是MapGIS地理數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ),空間數(shù)據(jù)引擎負責(zé)處理空間數(shù)據(jù)模型與關(guān)系數(shù)據(jù)模型之間的映射,地理數(shù)據(jù)庫則在空間數(shù)據(jù)引擎的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對象分類、子類型、關(guān)系、定義域、有效性規(guī)則等語義的表達,實現(xiàn)面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型。MapGIS-SDE是一個界于RDBMS和地理數(shù)據(jù)庫之間的中間件,其作用是使關(guān)系數(shù)據(jù)庫能存儲、管理和快速檢索空間數(shù)據(jù)。其體系結(jié)構(gòu)如右圖所示。體系結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)引擎實例MapGIS-SDE分為服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端位于RDBMS之上,為客戶提供空間數(shù)據(jù)的查詢和分析服務(wù)。MapGIS-SDE客戶端是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ),MapGIS-SDE服務(wù)器執(zhí)行客戶端的請求。為了保持數(shù)據(jù)服務(wù)層的跨平臺性以及對所有不同類型客戶的調(diào)用(請求空間數(shù)據(jù)服務(wù)的方式)一致性,SDE對所有的數(shù)據(jù)服務(wù)層客戶(應(yīng)用服務(wù)器,Web服務(wù)器,表示層的胖客戶和瘦客戶等)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口。引擎機制接口技術(shù)6.6

元數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的定義及其作用元數(shù)據(jù)的內(nèi)容元數(shù)據(jù)的分類元數(shù)據(jù)的定義及作用

關(guān)于空間元數(shù)據(jù)的定義,歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會CEN/TC287認為,空間元數(shù)據(jù)是“描述地理信息數(shù)據(jù)集內(nèi)容、表示、空間參考、質(zhì)量以及管理的數(shù)據(jù)”;而美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會FGDC和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息/地球信息委員會ISO/TC211則認為:空間元數(shù)據(jù)是“關(guān)于數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、條件以及其他特征的數(shù)據(jù)”??偟膩碚f,空間元數(shù)據(jù)是“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”,它在地理信息中用于描述地理數(shù)據(jù)集的內(nèi)容、質(zhì)量、表達方式、空間參考、管理方式以及數(shù)據(jù)集的其他特征,它是實現(xiàn)地理空間信息共享的核心標(biāo)準(zhǔn)之一。元數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的定義及作用用來組織和管理空間信息,并挖掘空間信息資源,這正是數(shù)字地球的特點和優(yōu)點所在。通過它可以在Internet上準(zhǔn)確地識別、定位和訪問空間信息。幫助數(shù)據(jù)所有者查詢所需空間信息。比如,它可以按照不同的地理區(qū)間、指定的語言以及具體的時間段來查找空間信息資源。維護和延續(xù)一個機構(gòu)對數(shù)據(jù)的投資??臻g元數(shù)據(jù)可以確保一個機構(gòu)對數(shù)據(jù)投資的安全。用來建立空間信息的數(shù)據(jù)目錄和數(shù)據(jù)交換中心。提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的信息。在未來的空間信息中,均應(yīng)當(dāng)包含空間元數(shù)據(jù)信息,以便使用戶在獲取包含空間信息數(shù)據(jù)集的同時就可以得到空間元數(shù)據(jù)信息??臻g元數(shù)據(jù)的作用元數(shù)據(jù)的分類

按照Metadata所描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容,Metadata可分為數(shù)據(jù)系列Metadata、數(shù)據(jù)集Metadata、要素類型和要素實例Metadata、屬性類型和屬性實例Metadata(如圖所示)。元數(shù)據(jù)的分類數(shù)據(jù)集系列Metadata數(shù)據(jù)集系列Metadata是指一系列擁有共同主題、日期、分辨率以及方法等特征的空間數(shù)據(jù)系列或集合,它也是用戶用于概括性查詢數(shù)據(jù)集的主要內(nèi)容。要素類型和要素實例Metadata要素類型在數(shù)據(jù)集內(nèi)容中相對比較容易理解,它是指由一系列幾何對象組成的具有相似特征的集合。比如數(shù)據(jù)集中的道路層、植被層等,便是具體的要素類型。數(shù)據(jù)集Metadata數(shù)據(jù)集Metadata模塊是整個Metadata標(biāo)準(zhǔn)軟件的核心,它既可以作為數(shù)據(jù)集系列Metadata的組成部分,也可以作為后面數(shù)據(jù)集屬性以及要素等內(nèi)容的父代Metadata數(shù)據(jù)集系列。屬性類型和屬性實例Metadata屬性類型是用于描述空間要素某一相似特征的參數(shù)。元數(shù)據(jù)的內(nèi)容描述空間信息的空間元數(shù)據(jù)內(nèi)容按照部分、復(fù)合元素和數(shù)據(jù)元素來組織,如下圖所示:元數(shù)據(jù)的內(nèi)容空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系的內(nèi)容具體分為8個基本內(nèi)容部分和4個引用部分,共由12個部分組成,具體的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容以及它們之間的相互關(guān)系如下圖所示:元數(shù)據(jù)的內(nèi)容空間元數(shù)據(jù)

空間元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)集內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、空間參考、管理方式以及數(shù)據(jù)集的其他特征的數(shù)據(jù),它位于整個標(biāo)準(zhǔn)體系的最上段,屬于復(fù)合元素,由兩個層次組成,第一層目錄信息主要用于對數(shù)據(jù)集信息進行宏觀描述,第二層則作為詳細或全面描述地理空間信息的空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。元數(shù)據(jù)本身及其組成地理空間元數(shù)據(jù)的各個部分:標(biāo)準(zhǔn)部分標(biāo)準(zhǔn)部分有8個內(nèi)容,它們分別是:①標(biāo)識信息;②數(shù)據(jù)質(zhì)量信息;③數(shù)據(jù)集繼承信息;④空間數(shù)據(jù)表示信息;⑤空間參照系信息;⑥實體和屬性信息;⑦發(fā)行信息;⑧空間元數(shù)據(jù)參考信息。引用部分標(biāo)準(zhǔn)部分有4個內(nèi)容,它們分別是:①引用信息;②時間范圍信息;③聯(lián)系信息;④地址信息。6.7

空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計E-R模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換空間數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計所謂概念模型,是對用戶信息需求的綜合分析、歸納,形成一個不依賴于空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)的理論模型。它是從用戶的角度對現(xiàn)實世界的一種信息描述,因而它不依賴于任何空間數(shù)據(jù)庫軟件和硬件環(huán)境。概念模型是一種信息結(jié)構(gòu),所以它由現(xiàn)實世界的基本元素以及這些元素之間的聯(lián)系信息所組成。對于概念模型來說,有許多可用的設(shè)計工具,比較流行的建模工具有E-R模型(實體-關(guān)系模型)和UML模型。概念模型空間數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計E-R(Entity-Relationship)模型中有三個要素:實體、屬性和聯(lián)系,以及由三者關(guān)系構(gòu)成的空間E-R模型。E-R模型UML模型UML模型是另一個流行的概念建模工具,是用于面向?qū)ο筌浖O(shè)計的概念層建模的新興標(biāo)準(zhǔn)之一。它是一種綜合型語言,用于在概念層對結(jié)構(gòu)化模式和動態(tài)行為進行建模。UML是一種通用的可視化建模語言,用于對軟件進行描述、數(shù)據(jù)處理可視化理解、構(gòu)造和建立軟件制品的文檔。作為一種建模語言,UML的定義包括UML語義和UML表示法兩個部分。空間數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)邏輯模型是指把數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計階段產(chǎn)生的概念數(shù)據(jù)庫模式變換為邏輯數(shù)據(jù)庫模式,即適應(yīng)于某種特定數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)所支持的邏輯數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計依賴于邏輯數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)模型可以分為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型以及針對空間數(shù)據(jù)的特征而設(shè)計的空間數(shù)據(jù)模型等。邏輯數(shù)據(jù)模型描述數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)內(nèi)容與結(jié)構(gòu),是GIS對地理數(shù)據(jù)表示的邏輯結(jié)構(gòu),是數(shù)據(jù)抽象的中間層,由概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換而來。關(guān)系數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型和層次數(shù)據(jù)模型是常見的邏輯數(shù)據(jù)模型??臻g邏輯數(shù)據(jù)模型是用戶通過GIS看到的現(xiàn)實世界地理空間,也是數(shù)據(jù)的系統(tǒng)表示,因此,它既要考慮用戶容易理解,又要考慮便于物理實現(xiàn)、易于轉(zhuǎn)換成物理數(shù)據(jù)模型。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是從概念模型導(dǎo)出特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以處理的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)庫的模式和外模式),這些模式在功能、性能、完整性和一致性約束及數(shù)據(jù)庫可擴充性等方面均應(yīng)滿足用戶提出的要求。數(shù)據(jù)邏輯模型空間數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計在非關(guān)系模型中,實體用記錄表示,實體的屬性對應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)項(或字段)。實體之間的聯(lián)系在非關(guān)系模型中轉(zhuǎn)換成記錄之間的兩兩聯(lián)系。層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型,層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用層次模型作為數(shù)據(jù)的組織方式。層次模型用樹形結(jié)構(gòu)來表示各類實體以及實體間的聯(lián)系。現(xiàn)實世界中許多實體之間的聯(lián)系本來就呈現(xiàn)出一種很自然的層次關(guān)系,如行政機構(gòu)、家族關(guān)系等。非關(guān)系數(shù)據(jù)模型層次模型(HierarchicalDataModel)空間數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計在數(shù)據(jù)庫中,把滿足以下兩個條件的基本層次聯(lián)系集合稱為網(wǎng)狀模型:①允許一個以上的結(jié)點無雙親;②一個結(jié)點可以有多于一個的雙親。網(wǎng)狀模型(NetworkDataModel)面向?qū)ο竽P椭凶罨镜母拍钍菍ο蠛皖?。?yōu)點:由于面向?qū)ο竽P椭胁粌H包括描述對象狀態(tài)的屬性集,而且包括類的方法及類層次,具有更加豐富的表達能力,因此,面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫比層次、網(wǎng)狀、關(guān)系數(shù)據(jù)庫使用更方便。缺點:由于模型復(fù)雜,系統(tǒng)實現(xiàn)起來難度大。面向?qū)ο竽P涂臻g數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計在非關(guān)系模型中用一個二維表格表示實體和實體之間聯(lián)系的模型,稱為關(guān)系數(shù)據(jù)模型。關(guān)系模型由三部分組成:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作集合和關(guān)系的完

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