試論空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理模式及優(yōu)越性

1、試論空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理模式及優(yōu)越性摘要： 空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已經(jīng)成為了地理信息尤其是海量地理信息管理的主流技 術(shù)，本文圍繞空間數(shù)據(jù)庫(kù)介紹了其數(shù)據(jù)特點(diǎn)、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容及 其優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的特性， 從空間數(shù)據(jù)模型的角度分析了空間數(shù)據(jù)庫(kù)的 數(shù)據(jù)處理模式以及其優(yōu)越性。關(guān)鍵詞： 空間數(shù)據(jù)庫(kù)；空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型；空間數(shù)據(jù)模型Abstract ： Spatial database has become the main aspect of the technology to geological data processing and management, especiall

2、y to massive data. This paper focuses on spatial database and describes the characteristics, structure of its data，and the content of spatial data mod el. Combined with the characteristics of traditional data models， analyzes the superiority of the data processing mode based on spatial data model.Ke

3、y words: Spatial database； spatial data structure ；traditional data model； spatial data model空間數(shù)據(jù)庫(kù)是某一區(qū)域內(nèi)一定地理要素特征的相關(guān)空間數(shù)據(jù)集合；是地理 信息系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)物理存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和， 一 般是以特定結(jié)構(gòu)的文件的形式組織在存儲(chǔ)介質(zhì)上的。 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(kù)能力強(qiáng)弱的主要標(biāo)志之一。 數(shù)據(jù)模型是一 組描述數(shù)據(jù)庫(kù)的概念。 這些概念精確地描述數(shù)據(jù)、 數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、 數(shù)據(jù)的語(yǔ)義 和完整性約束。 很多數(shù)據(jù)模型還包括一個(gè)操作集合

4、。 這些操作用來(lái)說(shuō)明對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù) 的存取和更新。 數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面要求： 一是能真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界； 二是 容易為人們理解； 三是便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一就是設(shè) 計(jì)一個(gè)好的數(shù)據(jù)模型。1. 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型以及其優(yōu)缺點(diǎn)：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型主要有以下三種： （1）層次數(shù)據(jù)模型： 層次模型是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型， 層次數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用層次模型作為數(shù)據(jù)的組織方式， 用 樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示各類實(shí)體以及實(shí)體間的聯(lián)系。如行政機(jī)構(gòu)，家族關(guān)系等。 （2）網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)模型： 在現(xiàn)實(shí)世界中客體的聯(lián)系更多的是非層次關(guān)系的， 用層次模型表示 非樹(shù)形結(jié)構(gòu)是很不直接的， 網(wǎng)絡(luò)模型可以克服這一弊病。 在數(shù)據(jù)庫(kù)

5、中， 把滿足以 下兩個(gè)條件的基本層次聯(lián)系集合稱為網(wǎng)狀模型： 允許一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)無(wú)雙親： 一 個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親； 網(wǎng)狀模型可以更直接地去描述現(xiàn)實(shí)世界， 而層次 模型實(shí)際上是網(wǎng)狀模型的一個(gè)特例。 （ 3）關(guān)系數(shù)據(jù)模型： 用表格數(shù)據(jù)表示實(shí)體與 實(shí)體之間聯(lián)系的模型?；陉P(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)稱關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如 Access、 SQL Server 、FoxPro、 Oracle 等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型出現(xiàn)的時(shí)期比較早， 因此存在著很多不足： 首先，層次數(shù)據(jù)模 型的缺點(diǎn)是訪問(wèn)限于自上而下的路徑， 結(jié)構(gòu)呆板、 不夠靈活、要保留大量的索引 文件、一些屬性值重復(fù)多次利用、數(shù)據(jù)冗余。其次，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的不

6、足之處是 間接的指針使數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)大， 在復(fù)雜的系統(tǒng)中可能占據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的很大部分， 每次數(shù) 據(jù)庫(kù)變動(dòng)，這些指針必須要更新維護(hù)，其工作量相當(dāng)大。再者，關(guān)系數(shù)據(jù)模型也 存在很多不足之處， 主要是為找到滿足制定關(guān)系要求的數(shù)據(jù)， 許多操作涉及到對(duì) 文件的順序搜索， 對(duì)大型系統(tǒng)而言， 很費(fèi)時(shí)間， 為保證以適宜速度進(jìn)行搜索的能 力，商用系統(tǒng)一般需要經(jīng)過(guò)十分精心的設(shè)計(jì)， 因而價(jià)格很昂貴。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 管理的是不連續(xù)的、 相關(guān)性較小的數(shù)字和字符； 而地理信息數(shù)據(jù)是連續(xù)的， 并且 具有很強(qiáng)的相關(guān)性。2. 空間數(shù)據(jù)模型及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)： 空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是具有空間性、專題性、時(shí)間性、多態(tài)性、多尺度性、可靠 性、不確定

7、性、選擇性、抽樣性、完備性、海量性和自相關(guān)性?？臻g數(shù)據(jù)模型是指利用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)空間對(duì)象的空間位置、 空間關(guān) 系和屬性信息； 是對(duì)空間對(duì)象的數(shù)據(jù)描述。 目前在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域， 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù) 據(jù)模型主要分為：矢量數(shù)據(jù)模型、柵格數(shù)據(jù)模型和三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型。2.1 矢量數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)模型：用歐幾里得（ Euclid ）幾何學(xué)中的點(diǎn)、線、多邊形及其組合 表示地理實(shí)體空間位置、形態(tài)和分布特征的一種數(shù)據(jù)組織形式。矢量數(shù)據(jù)的編碼方法主要有三種，分別為：（ 1）坐標(biāo)序列法，適用于簡(jiǎn)單 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（也稱面條數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。點(diǎn)表示為單個(gè)的 by 坐標(biāo)，線表示為一組有序 的 by 坐標(biāo)，而區(qū)域表示為一組有序的 xy

8、 坐標(biāo)，但其起點(diǎn)的坐標(biāo)和終點(diǎn)的坐標(biāo)相 同，即區(qū)域是閉合的多邊形。 為了區(qū)別不同實(shí)體， 每個(gè)實(shí)體都賦予一個(gè)唯一的標(biāo) 識(shí)符。（ 2）層次索引法又稱樹(shù)狀索引編碼法，采用樹(shù)狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并 間接增加鄰域信息，方法是對(duì)所有邊界點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化， 將坐標(biāo)對(duì)以順序方式存儲(chǔ)， 由點(diǎn)索引與邊界線號(hào)相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹(shù)狀索引結(jié)構(gòu)。 消除了多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致問(wèn)題， 可直接對(duì)復(fù)雜邊界線簡(jiǎn)化或合并相 鄰多邊形而不必改造索引表，鄰域信息和島狀信息可以通過(guò)對(duì)線索引處理得到， 但是繁瑣易出錯(cuò)。（ 3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)法，拓?fù)鋯卧饕泄?jié)點(diǎn)弧段和多邊形。節(jié)點(diǎn) （Node） 定義為弧段的起點(diǎn)、 終點(diǎn)或幾條

9、線的交點(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)具有拓?fù)涮卣鳎?用于表示 弧段是否相連， 而拐點(diǎn)沒(méi)有拓?fù)涮卣鳎?只是表示了弧段的位置和形狀屬性； 弧段 是最基本的空間數(shù)據(jù)單元之一， 每個(gè)弧段包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)起節(jié)點(diǎn)和終節(jié)點(diǎn)， 起 節(jié)點(diǎn)和終節(jié)點(diǎn)定義了弧段的方向， 從而也定義了該弧段的左右多邊形， 在節(jié)點(diǎn)之 間由零個(gè)或多個(gè)拐點(diǎn)， 弧段的長(zhǎng)度和形狀由節(jié)點(diǎn)和拐點(diǎn)的坐標(biāo)所決定； 多邊形由 一系列的相互連結(jié)的弧段組成， 并通過(guò)其內(nèi)部的唯一標(biāo)識(shí)點(diǎn)來(lái)標(biāo)識(shí)。 標(biāo)識(shí)點(diǎn)的標(biāo) 識(shí)碼和該多邊形屬性表中的標(biāo)識(shí)碼相一致， 由此建立的多邊形空間信息和屬性信 息的關(guān)系。矢量數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)： 矢量數(shù)據(jù)可以提供更嚴(yán)密的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)明確表示地理現(xiàn) 象的位置和形狀；存儲(chǔ)量較小

10、，精度較高，制圖效果好；易于識(shí)別特征之間的拓 撲關(guān)系，因而對(duì)需要拓?fù)湫畔⒌牟僮鞲行?；適合于建立幾何網(wǎng)絡(luò)模型 ; 便于進(jìn) 行某些特殊的地理分析，如基于矢量的網(wǎng)絡(luò)分析，緩沖區(qū)分析。2.2 柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指將分析空間劃分成多個(gè)規(guī)則的、 互相相鄰的網(wǎng)格單元 （多為 矩形區(qū)域 , 也偶有表示為三角形或六邊形的），然后給各個(gè)格網(wǎng)單元賦以相應(yīng)空 間對(duì)象的屬性值，用這多個(gè)格網(wǎng)單元組成的規(guī)則格網(wǎng) （GRID來(lái)表示地理現(xiàn)象的 空間位置和屬性特征。 柵格系統(tǒng)的組成要素： 柵格單元、 柵格取值的數(shù)據(jù)類型和 柵格數(shù)據(jù)模型的坐標(biāo)系統(tǒng)。柵格數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)： 柵格數(shù)據(jù)易于地理定位； 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 軟件開(kāi)發(fā)容 易

11、； Grid 適于表示連續(xù)變化的變量 , 如高程、污染擴(kuò)散?？梢赃M(jìn)行一些矢量模 型不能進(jìn)行的空間分析操作， 能有效表達(dá)空間變化； 對(duì)于空間建模， 由于其基本 單元的尺寸和形狀是一致的，因此單元格之間的空間關(guān)系是恒量，且易于跟蹤， 適合于空間建模； 疊置運(yùn)算處理速度快， 易于進(jìn)行各類空間分析； 大量的數(shù)據(jù)源 以柵格形式存儲(chǔ)， 這些已有的數(shù)據(jù)源不通過(guò)矢量化就可為系統(tǒng)使用， 特別柵格圖 象便于做圖象的有效增強(qiáng)。2.3 三角網(wǎng)數(shù)據(jù)模型TIN 是使用彼此相鄰而不重疊的三角形組成的三角網(wǎng)，每個(gè)三角形頂點(diǎn)的xyz 坐標(biāo)已知，所以通過(guò)在一個(gè)三角形表面使用簡(jiǎn)單的線性插值和多項(xiàng)式插值， 可以估計(jì)任何位置的表面值；

12、 TIN 的基本組成是三角形（ Triangles ），而三角 形由節(jié)點(diǎn)（NodeS）和邊（Edge）。Nodes是由x,y,z定義的坐標(biāo)和變量值組成， 邊 Edges 即指三角形的邊。三角形 Triangles 由節(jié)點(diǎn)按一定規(guī)則相連形成的； TIN 不但由連續(xù)點(diǎn)生成，也可包含突變或斷線（表示為三角形的邊）。三角網(wǎng)數(shù)據(jù)模型優(yōu)點(diǎn)： TIN 模型能表示聯(lián)系變化的地理現(xiàn)象，可表示曲面上 的地理現(xiàn)象的漸變； 具有隨坡度變化而不同的點(diǎn)密度， 在坡度變化大的地區(qū)點(diǎn)密 度較高，能精確地表示曲面類型地理現(xiàn)象的形狀； TIN 模型中一些典型地形如 山脊、山峰等特征被特別存儲(chǔ)， 位置和表面值都很精確， 適合進(jìn)行基

13、于形態(tài)的坡 度、坡向、體積計(jì)算和視線分析等。3. 空間數(shù)據(jù)處理模式及其優(yōu)越性 空間數(shù)據(jù)的處理主要包括：數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)重構(gòu)和數(shù)據(jù)提取。數(shù)據(jù)變換：指 數(shù)據(jù)從一種數(shù)學(xué)狀態(tài)到另一種數(shù)學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換， 包括幾何校正和投影變換等， 解 決空間數(shù)據(jù)的幾何配準(zhǔn)問(wèn)題；數(shù)據(jù)重構(gòu)：指數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，包括結(jié)構(gòu)變換、格式 變換和類型轉(zhuǎn)換等，解決數(shù)據(jù)的統(tǒng)一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多元和異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合和連接； 數(shù)據(jù)提?。褐父鶕?jù)給定的條件提取感興趣的部分， 包括類型提取、 窗口提取和空 間內(nèi)插等，解決不同用戶對(duì)數(shù)據(jù)的特殊需要問(wèn)題?？臻g數(shù)據(jù)模型主要分為矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型兩大類， 所以空間數(shù)據(jù) 庫(kù)的數(shù)據(jù)處理模式也主要是針對(duì)矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)

14、據(jù)進(jìn)行的。 主要有矢量數(shù)據(jù)和 柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)信息的提取。3.1 矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在功能完善的GIS軟件中，兩種格式的數(shù)據(jù)往往并存， 但為了數(shù)據(jù)處理和分析的方便， 需要在這兩種格式的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行 相互轉(zhuǎn)換。（ 1）柵格向矢量轉(zhuǎn)換：柵格數(shù)據(jù)矢量化，即從柵格單元轉(zhuǎn)換到幾何 圖形的過(guò)程 ,包括：表示類別或?qū)傩栽偕鷸鸥竦氖噶炕苯愚D(zhuǎn)換和基于柵格數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)的掃描圖像的矢量化處理（ 2）矢量向柵格轉(zhuǎn)換：將以矢量表示的點(diǎn)、線、多邊形直接轉(zhuǎn)換為柵格格式，將以矢量表示的樣本點(diǎn)或等值線插值為柵格。3.2 數(shù)據(jù)信息的提取矢量數(shù)據(jù)模型以 X,Y 坐標(biāo)表示地理現(xiàn)象的位

15、置和形狀， 側(cè)重于地理實(shí)體的空 間和屬性特征， 即某個(gè)空間實(shí)體所具備的空間和屬性特征， 矢量數(shù)據(jù)模型能明確 定義地理現(xiàn)象的邊界， 可以明確表示地理現(xiàn)象的位置和形狀。 適合于建立幾何網(wǎng) 絡(luò)模型， 便于進(jìn)行某些特殊的地理分析。 而柵格數(shù)據(jù)易于地理定位， 能有效表達(dá) 空間變化， 易于進(jìn)行各類空間分析， 可以更好地表示連續(xù)變化的地理現(xiàn)象如 降水量的變化；并可進(jìn)行特定類型的空間分析，如流域模型；污染擴(kuò)散模型等。3.3 空間數(shù)據(jù)處理模式的優(yōu)越性 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理模式和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)相比具有很大的優(yōu)越性：一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理的是不連續(xù)的、 相關(guān)性較小的數(shù)字和字符； 而地理 信息數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且具有很強(qiáng)的

16、相關(guān)性。二、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理的實(shí)體類型太少， 并且實(shí)體之間通常只有簡(jiǎn)單、 固 定的空間關(guān)系； 而地理空間數(shù)據(jù)的實(shí)體類型繁多， 實(shí)體類型之間存在著復(fù)雜的空 間關(guān)系，并且還能產(chǎn)生新的關(guān)系（如拓?fù)潢P(guān)系）。三、空間數(shù)據(jù)庫(kù)不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù) （ 與一般數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)性質(zhì)相 似） ，還有大量的空間數(shù)據(jù)，即描述地理要素空間分布位置的數(shù)據(jù)，并且這兩種 數(shù)據(jù)之間具有不可分割的聯(lián)系。而且數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，例如地理研究、環(huán)境保護(hù)、 土地利用與規(guī)劃、資源開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境、市政管理、道路建設(shè)等。參考文獻(xiàn)：1 吳信才主編著地理信息系統(tǒng)原理、方法及應(yīng)用武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢）， 20002 閆金鳳 .GIS 專業(yè)“空間數(shù)據(jù)庫(kù)”課程教學(xué)內(nèi)容研究與實(shí)踐 . 測(cè)繪工 程.2010.12 第 19卷第 6 期3 張山山 . “空間數(shù)據(jù)庫(kù)”課程教學(xué)內(nèi)容研究 J . 測(cè)繪與空間地理信 息, 2009（ 6）4 張 春 森 . 植 被 指 數(shù) 空 間 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 建 立 及 應(yīng) 用 . 西 安 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào).2010.11 第 30卷第 6 期5 郭際元、周順平、劉修國(guó)編著 . 空間數(shù)據(jù)庫(kù) . 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 20006 高翔. 多源數(shù)據(jù)更新空間數(shù)據(jù)庫(kù)的方法研究 .城市勘測(cè) .2009.04.10.047 廖之平 . 從數(shù)字