第四章 空間數(shù)據(jù)組織與管理

1、第四章 空間數(shù)據(jù)組織與管理4.1 文件組織與數(shù)據(jù)庫1. 數(shù)據(jù)文件：文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按照其組織分為三個級別數(shù)據(jù)文件：文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按照其組織分為三個級別：u數(shù)據(jù)項：文件中存取數(shù)據(jù)的基本單位，用于描述物體的屬性。u記錄：由一個或多個數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)項組組成，是關(guān)于一個實體的數(shù)據(jù)總和。u文件：大量性質(zhì)相同的記錄組成的集合。2.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS） 在文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來 位于用戶和操作系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制，對數(shù)據(jù)庫所有操作通過DBMS進(jìn)行。 優(yōu)點：保持應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的獨立性。3.空間數(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)：空間數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)硬件系統(tǒng)、操作系

2、統(tǒng)、DBMS、空間DBMS、操作員等。操作員空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)存儲器4.2 空間數(shù)據(jù)的管理方式空間數(shù)據(jù)的管理方式 基于文件管理的方式 文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理模式 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理模式 對象關(guān)系的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.基于文件管理的方式 各個地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?yīng)各自的空間和屬性數(shù)據(jù)文件，當(dāng)兩個GIS應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)有相同部分時，可以提出來作為公共數(shù)據(jù)文件。2.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理模式 用文件系統(tǒng)管理幾何圖形數(shù)據(jù)，用商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理屬性數(shù)據(jù)，它們之間的聯(lián)系通過目標(biāo)標(biāo)識或者內(nèi)部連接碼進(jìn)行連接。1)MapInfo的數(shù)據(jù)組織

3、2) Shape Shape文件保存數(shù)據(jù)中的空間特征信息，包括不具有拓?fù)潢P(guān)系的幾何信息和屬性信息u特征的幾何信息存貯為一個由一組矢量坐標(biāo)組成的Shape。u屬性由dBASE（dBASE是一種通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫）格式文件管理，每個屬性記錄與相關(guān)的Shape記錄一一對應(yīng)。u由于Shape文件不處理拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此有快速繪圖和編輯能力等優(yōu)點，其顯著特點還在于所需的磁盤空間更少和更易于讀寫。Shape文件包括一個主文件、一個索引文件和一個dBASE表文件。 主文件是一個直接存取的變長記錄的文件，其一條記錄描述了一個用一系列點表示的Shape； 索引文件的每條記錄存貯與之相應(yīng)的主文件記錄從文件頭開始的偏

4、移量； dBASE文件的每條記錄包含一個特征的屬性，基于記錄號的幾何信息和屬性信息一一對應(yīng)，dBASE文件的記錄必須與主文件的記錄順序一致。 Shape所有文件均使用“8.3”命名規(guī)則，主文件、索引文件和dBASE文件具有相同的前綴，其后綴分別為“.shp”、“.shx”和“.dbf”。例如： 主文件：counties.shp 索引文件：counties.shx dBASE文件：counties.dbfdBase IIIdBase III數(shù)據(jù)庫文件數(shù)據(jù)庫文件特定特定ShapeShape圖形文件圖形文件圖形和屬性圖形和屬性索引文件索引文件Shapefile和CAD圖形的Catalog視圖3)地理

5、相關(guān)模型(Coverage)u在Arc/Info 7.X及更早期的版本中使用；u是混合數(shù)據(jù)模型u強(qiáng)調(diào)空間要素的拓?fù)潢P(guān)系u幾何與拓?fù)浯鎯υ诙M(jìn)制文件中，而與之相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)位于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。3.全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理模式 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是指圖形和屬性數(shù)據(jù)都用現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理。 用RDBMS管理圖形數(shù)據(jù)有兩種模式1、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。 2、將圖形數(shù)據(jù)處理成二進(jìn)制字段（如BLOB）的圖形數(shù)據(jù)管理。目前大部分關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都提供了二進(jìn)制塊的字段域，以適應(yīng)管理多媒體數(shù)據(jù)或可變長文本字符。FIDDateEntity.

6、EnvelopeNumofptsBLOB4.對象關(guān)系的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，除了使用二進(jìn)制字段存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)外，還可以對關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展，即將復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型作為對象放入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,并提供索引機(jī)制和簡單的操作。這種擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)庫稱為對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫。這也是目前較為流行的一種擴(kuò)展方式。 在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上進(jìn)行擴(kuò)展，使之能夠同時管理矢量圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。擴(kuò)展的方式有兩種：p一種是GIS軟件商在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上進(jìn)行擴(kuò)展，外加一個空間數(shù)據(jù)管理引擎，如ERSI公司的ArcSDE、MapInfo公司的Spatialware等。 2）Geodatabaseuu ArcGI

7、S的核心數(shù)據(jù)模型的核心數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο蟊磉_(dá)和管理表達(dá)和管理GIS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)屬性表u 地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲的倉庫地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲的倉庫要素類、柵格數(shù)據(jù)要素類、柵格數(shù)據(jù)關(guān)系類、拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)關(guān)系類、拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)支持不同平臺支持不同平臺可伸縮性可伸縮性分享地理價值GeodatabaseGeodatabase的優(yōu)勢的優(yōu)勢（1 1）具有）具有面向?qū)ο蟮奶攸c面向?qū)ο蟮奶攸c多態(tài)性多態(tài)性不同的存儲方式、相同的要素操作方式不同的存儲方式、相同的要素操作方式繼承性繼承性子類（子類（SubTypeSubType）封裝性封裝性標(biāo)準(zhǔn)化的編程接口標(biāo)準(zhǔn)化的編程接口（2 2）空間數(shù)據(jù)）空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一

8、存儲要素類與要素要素類與要素一個實體一個實體 一個要素一個要素 一條記錄一條記錄（3）支持不同數(shù)據(jù)格式間的轉(zhuǎn)換ShapefileCoverageCAD Raster（4） 可移植Geodatabase XML 導(dǎo)入/導(dǎo)出（5 5）數(shù)據(jù)輸入）數(shù)據(jù)輸入和編輯更加準(zhǔn)確和編輯更加準(zhǔn)確豐富的編輯工具豐富的編輯工具子類型、有效性規(guī)則的運用子類型、有效性規(guī)則的運用允許多用戶并發(fā)編輯允許多用戶并發(fā)編輯（6 6） 可伸縮的存儲解決方案可伸縮的存儲解決方案個人（個人（PersonalPersonal）地理數(shù)據(jù)庫）地理數(shù)據(jù)庫文件（文件（FileFile）地理數(shù)據(jù)庫）地理數(shù)據(jù)庫ArcSDEArcSDE地理數(shù)據(jù)庫地理數(shù)

9、據(jù)庫Geodatabase的三種類型在文件系統(tǒng)中以文件夾的形式表現(xiàn) 以二進(jìn)制文件格式存儲 每個表存儲上限為1TB ArcSDE地理數(shù)據(jù)庫支持多用戶并發(fā)編輯存儲于RDBMS中伸縮性u個人地理數(shù)據(jù)庫(.mdb)FOR MS ACCESS存儲上限為2GBu文件地理數(shù)據(jù)庫(.gdb)3種類型的Geodatabase比較 另一種是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件商自己在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲和管理矢量空間數(shù)據(jù)，如Oracle和Informix等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的擴(kuò)展模塊。（3）Oracle Spatial簡介簡介 Oracle Spatial是Oracle公司推出的空間空間數(shù)據(jù)庫組件數(shù)據(jù)庫

10、組件，通過Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲和管理空間數(shù)據(jù)。 Oracle從9i開始對空間數(shù)據(jù)提供了較為完備的支持。Oracle Spatial主要通過元數(shù)據(jù)表元數(shù)據(jù)表、空間數(shù)空間數(shù)據(jù)字段據(jù)字段（即SDO_GEOMETRY字段）和空間索引空間索引來管理空間數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上提供一系列空間查詢和空間分析空間查詢和空間分析的函數(shù)，讓用戶進(jìn)行更深層次的GIS應(yīng)用開發(fā)。Oracle Spatial使用空間字段SDO_GEOMETRY存儲空間數(shù)據(jù)，用元數(shù)據(jù)表來管理具有SDO_GEOMETRY字段的空間數(shù)據(jù)表，并采用R樹索引和四叉樹索引技術(shù)來提高空間查詢和空間分析的速度。 創(chuàng)建包含SDO_GEOMETRY列的表來

11、存儲位置。SQLCREATE TABLE usersId NUMBER,Poi_name,VARCHAR2(32),Location SDO_GEOMETRY存儲位置的新列SQLINSERT INFO users 1， PIZZA HUT, SDO_GEOMETRY ( 2001，-2代表維數(shù)，1代表幾何類型為點 NULL，-其他字段設(shè)置為空 SDO_POINT_TYPE -指定點的坐標(biāo) （-87,（經(jīng)度） 37，（維度） NULL ） )4.面向?qū)ο竽Ｐ?面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m應(yīng)于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理，它不僅支持變長記彔，而且支持對象的嵌套、信息的繼承與聚集。面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)允許用戶定

12、義對象和對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及操作。這樣，我們可以將空間對象根據(jù)GIS的需要，定義出合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組操作。當(dāng)前已經(jīng)推出了若干個面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，也出現(xiàn)一些基于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)。但由于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)還不夠成熟，價栺又昂貴，目前在GIS領(lǐng)域還不太通用。相反基于對象-關(guān)系的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是目前GIS空間數(shù)據(jù)管理的主流。4.3 空間數(shù)據(jù)組織 空間數(shù)據(jù)具有海量、多時空、多尺度、多源、異構(gòu)等特征。 為提高空間信息存取和檢索速度，對海量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效組織。 習(xí)慣按不同比例尺、橫向分幅（標(biāo)準(zhǔn)分幅或區(qū)域分幅等）、縱向分層（專題層等）來組織海量空間數(shù)據(jù)。 縱向分層組織縱向分

13、層組織空間數(shù)據(jù)可按某種屬性特征形成一個數(shù)據(jù)層，通?？臻g數(shù)據(jù)可按某種屬性特征形成一個數(shù)據(jù)層，通常稱為圖層。稱為圖層。1 1、空間數(shù)據(jù)分層方法：、空間數(shù)據(jù)分層方法：1 1）專題分層）專題分層 每個圖層對應(yīng)一個專題，包含某一種或某一類每個圖層對應(yīng)一個專題，包含某一種或某一類數(shù)據(jù)。如地貌層、水系層、道路層、居民地層等。數(shù)據(jù)。如地貌層、水系層、道路層、居民地層等。2 2）時間序列分層）時間序列分層 把不同時間或不同時期的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。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 3）地面垂直高度分層）地面垂直高度分層把不同垂直高度的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層把不同垂直高度的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。 Z Z2

14、2、空間數(shù)據(jù)分層的目的、空間數(shù)據(jù)分層的目的39便于空間數(shù)據(jù)的管理、查詢、顯示、分析等。便于空間數(shù)據(jù)的管理、查詢、顯示、分析等。1 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）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；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 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)）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，因據(jù)進(jìn)行查詢，只需要對

15、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；而可加快查詢速度；3 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）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；層，因而增加了圖形顯示的靈活性；4 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。）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。 由于空間信息的海量及空間分布范圍廣等特征，需要進(jìn)行分割：p磁盤容量有限p系統(tǒng)故障，或操作不慎，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完全p數(shù)據(jù)庫維護(hù)不便，局部范圍更新，將處理整個數(shù)據(jù)庫。p查詢效率不高，查詢多在局部范圍，數(shù)據(jù)文件越大，局部數(shù)據(jù)處理的相對時間越長。 橫向分塊組織橫向分塊組

16、織u分塊方式l標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度分塊l矩形分塊l任意區(qū)域多邊形分塊u分塊尺寸 可以是任意尺寸，根據(jù)實際需要而定。大多數(shù)情況下，圖塊按照地圖圖幅大小來劃分。小比例尺按經(jīng)緯線分幅，大比例尺地圖按矩形分幅。4.4 柵格數(shù)據(jù)存儲與管理 在海量影像數(shù)據(jù)庫中，大多數(shù)情況下每次調(diào)度和使用的影像數(shù)據(jù)的某一分辨率和空間范圍很小的一部分影像數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)文件很大，將直接影響到數(shù)據(jù)的讀取執(zhí)行速度。 一幅衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的大小都有三四百兆，有的甚至幾個 GB，鑲嵌后的遙感影像可能會超過 10GB 或 100GB 以上。面對如此龐大的數(shù)據(jù)，要進(jìn)行快速顯示瀏覽、圖像增強(qiáng)、圖像編輯等操作，現(xiàn)在普通的計算機(jī)硬件配置都無法滿足要求。1.柵

17、格數(shù)據(jù)管理 為了實施對影像數(shù)據(jù)的高效的組織和存儲需要采用影像金字塔技術(shù)，即：在同一的空間參考下，根據(jù)用戶需要以不同分辨率進(jìn)行存儲與顯示，形成分辨率由粗到細(xì)、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。影像金字塔核心思想核心是對遙感影像進(jìn)行分塊、分層： 分層就是把原始影像數(shù)據(jù)按照不同分辨率進(jìn)行管理，具體就是把分辨率高的影像層依次通過采樣算法得到低一層的影像數(shù)據(jù)。 分塊是對分層之后的影像數(shù)據(jù)按照設(shè)定好的影像塊進(jìn)行分割存儲。分塊之后只需要將需要顯示和處理的若干個影像塊數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，而并非未分塊前的一整幅影像。影像金字塔構(gòu)建過程 先將原始影像進(jìn)行分塊，然后對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行重采樣生成較低分辨率的影像，依次進(jìn)行，直到完成預(yù)定

18、的分層；最后對每層的影像塊按影像金字塔進(jìn)行組織。 一般采用固定大小的分塊方法。目前建立影像數(shù)據(jù)庫多采用數(shù)據(jù)塊大小為 128128或 256256。影像金字塔兩種構(gòu)建方法p 一種是數(shù)據(jù)源本身就是多分辨率的，只需要按照影像金字塔組織這些數(shù)據(jù)即可；p 另一種是除了金字塔最底層數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)外，其它層的影像數(shù)據(jù)都是從底層抽取，然后再按影像金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。 對于第二種情況，影像金字塔通常采用倍率方法構(gòu)建，從而形成多個分辨率層次采用倍率抽取方法構(gòu)建金字塔時，從底層到頂層，分辨率越來越低，但表示的范圍不變。 假定原始影像的大小是 2n2n 像素，并把它叫做第 0 層，對第 0 層采用隔點隔行的抽取方法得到它的較低分辨率影像，把它叫做第 1 層；對第 1 層重復(fù)上面的步驟，得到第 2 層影像，繼續(xù)這個過程，直到滿足所需要的分辨率為止。2.柵格數(shù)據(jù)存儲 柵格數(shù)據(jù)集用一個特殊的方法定義地理位置。一旦格網(wǎng)單元或者象素可以被精確引用，然后獲得一個柵格中所有格網(wǎng)單元值的一個順序列表是容易的。這意味著每個柵格數(shù)據(jù)集通常有一個header record存儲它的地