,地理信息系统 Geographical Information System,第三讲 空间数据组织与管理,国土信息工程系2010-2011年度地理信息系统教案,10/22/2019,2,空间数据结构 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 现行空间数据库管理方案,空间数据组织与管理,10/22/2019,3,什么是数据模型？,GIS的核心问题 计算机中的现实世界模型 数据模型多种多样，没有最好的通用数据模型,10/22/2019,4,数据模型在GIS中的地位,10/22/2019,5,GIS数据模型,CAD 、遥感影像模型 栅格数据模型(Raster Data Model) 矢量数据模型(Vector Data Model) 对象数据模型（Object Data Model),10/22/2019,6,10/22/2019,7,CAD模型,10/22/2019,8,影像数据模型,10/22/2019,9,影像数据模型和栅格数据模型区别,Image 没有属性数据表，仅一个属性项 栅格数据具有属性表，并且可和其他的属性表进行联合运算。 应用：影像数据仅作影像处理，而栅格模型可进行空间分析和空间建模,10/22/2019,10,矢量数据结构：概念,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。 几何对象 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； 高级模型 不规则三角网； 区域； 动态分段,10/22/2019,11,矢量数据结构：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 空间分析技术（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）,10/22/2019,12,矢量数据结构：表达内容,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） 空间表达= 信息结构 + 操作,10/22/2019,13,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,矢量数据结构（续）,10/22/2019,14,标识码,属性,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: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 ),点位字典,点: 点号文件,线: 点号串,面: 点号串,几何 位置,矢量数据结构（续）,10/22/2019,15,例：,10/22/2019,16,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,矢量数据结构（续）,10/22/2019,17,拓扑结构：全显式表达,矢量数据结构（续）,10/22/2019,18,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 System9：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,矢量数据结构（续）,10/22/2019,19,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）,10/22/2019,20,拓扑结构：拓扑关系与数据共享 维护数据的一致性,拓扑:移动结点,无拓扑:移动结点,矢量数据结构（续）,10/22/2019,21,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）,10/22/2019,22,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。,10/22/2019,23,10/22/2019,24,不规则三角网,10/22/2019,25,不规则三角网,10/22/2019,26,动态分段模型,在不改变要素位置描述（坐标）的前提下，建立线性要素上任意路段与多重属性信息之间关联的技术。 区段、路径、事件 不必要对路线事先进行分解。 网络分析,10/22/2019,27,矢量数据结构：特点,用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含 用拓扑关系描述空间对象之间的关系 面向目标操作，精度高，数据冗余度小 与遥感等图象数据难以结合 输出图形质量好，精度高,10/22/2019,28,定义 以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。或者说，栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。 每个栅格单元只能存在一个值。 对于栅格数据结构 点：为一个像元 线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。 面：聚集在一起的相邻像元集合。 获取方式： 遥感数据 图片扫描数据 矢量数据转换 手工方式 栅格数据坐标系 栅格数据压缩编码方案 栅格数据的分层 栅格数据的组织方法 栅格数据特点,栅格数据结构,10/22/2019,29,点,线,面,10/22/2019,30,栅格数据结构：坐标系与描述参数,Y：列,X：行,西南角格网坐标 （XWS，YWS）,格网分辨率,格网方向,10/22/2019,31,栅格数据结构：单元值确定,百分比法,面 积 占 优,重 要 性,中心点法,A 连续分布地理要素,C 具有特殊意义 的较小地物,A 分类较细、 地物斑块较小,AB,10/22/2019,32,栅格数据结构：压缩编码方案,起点行列号，单位矢量 R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3,链式编码,游程长度编码,逐行编码 数据结构: 行号, 属性, 重复次数 1, A, 4, R, 1, A, 4,块状编码,正方形区域为记录单元 数据结构: 初始位置, 半径, 属性 (1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),四叉树编码,10/22/2019,33,栅格数据结构：数据分层,土壤,地貌,森林,建筑物,Z,Y,X,10/22/2019,34,栅格数据结构：数据组织,10/22/2019,35,栅格数据结构：特点,离散的量化栅格值表示空间对象 位置隐含,属性明显 数据结构简单,易与遥感数据结合,但数据量大 几何和属性偏差 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系,10/22/2019,36,几何偏差,属性偏差,10/22/2019,37,矢量栅格数据较比,10/22/2019,38,数据结构选择原则,要素还是位置？ 可获取的数据 定位要素的必要精度 需要什么类型的要素 需要什么类型的拓扑关联 所需空间分析类型 生产地图类型,10/22/2019,39,空间数据管理：空间数据库,数据库 定义：数据库是为一定目的服务，以特定结构存储的相关联的数据的集合。 特点： 数据独立于应用程序而集中管理 数据之间建立联系，反映了现实世界信息的联系 数据模型 层次模型 网络模型 关系模型,10/22/2019,40,空间数据管理：空间数据库（续）,空间数据库 定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合 特点： 数据量特别大 属性数据和空间数据联合管理 数据应用范围广泛 空间数据库的数据特征 空间特征 非结构化特征 空间关系特征 分类编码特征 海量数据特征,10/22/2019,41,传统数据库与空间数据库的比较,10/22/2019,42,现行空间数据库管理方案,基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案 基于关系式数据库的空间数据管理方案 基于对象关系式数据库的空间数据管理方案。,10/22/2019,43,文件 关系数据库混合管理方案,属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效； 几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。 空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。 GIS软件：Arc/Info，MGE，GenMap等,早 期,GIS用户界面,图形处理,DBMS,图形 文件库,属性 数据库,高级语言,ODBC协议,数据库开发,数据库开发,10/22/2019,44,全关系式数据库管理方案,属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快 属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作 GIS软件：System9，Small World、Geovision等,10/22/2019,45,对象关系数据库管理方案,对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型 解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高 用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储，没有解决数据的嵌套纪录问题 GIS软件：TIGER，Geo+、Geo Tropics等,10/22/2019,46,GIS空间数据组织,10/22/2019,47,空间数据索引,空间索引概念 根据空间对象位置和形状或空间对象的某种空间关系，按一定顺序排列的数据结构，包含空间对象的概要信息，以提高空间操作的效率 GIS中引入空间索引的必要性 工作区建立 查询、显示 数据提取 常见空间索引方法 对象范围索引 格网索引 四叉树索引 R树和R+树索引,10/22/2019,48,空间索引：对象范围索引,10/22/2019,49,空间索引：格网索引,10/22/2019,50,作业：,简述常用空间数据结构的特点； 简述空间数据库的特征，目前空间数据是如何进行管理组织的？ 简述栅格数据的压缩编码方案 试给出格网索引实现的原理（建立和检索）,