第二章地理信息系统的空间数据结构和数据库地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。本章重点介绍主要的空间数据结构和空间数据库模型。第二章地理信息系统的空间数据结构和数据库2.1空间数据结构空间数据结构2.2GIS的数据模型的数据模型2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2.1.1概述2.1.2矢量数据结构2.1.3栅格数据结构2.1.4矢量栅格一体化数据结构2.1.5三维数据结构2.2.1概述2.2.2层次数据模型2.2.3网状数据模型2.2.4关系数据模型2.2.5对象数据模型2.2.6时空数据模型2.3.1数据的管理模式2.3.2空间数据库的设计、建立和维护1)含义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元。2)理解：是一个具体有概括性、复杂性、相对意义的概念。1、地理实体2.1.1概述地理实体2.1空间数据结构空间数据结构2.1.1概述地理实体的存储描述的内容描述的内容基本特征基本特征数据类型数据类型数据结构数据结构位置、形状、尺寸位置、形状、尺寸 空间特征空间特征几何数据几何数据关系数据关系数据矢量结构矢量结构栅格结构栅格结构识别码（名称）、实体识别码（名称）、实体的角色、功能、行为、的角色、功能、行为、实体的衍生信息实体的衍生信息属性特征属性特征属性数据属性数据RDBMSRDBMS属性表属性表时间时间时间特征时间特征属性数据属性数据RDBMSRDBMS属性表属性表测量方法、编码方法、测量方法、编码方法、空间参考系空间参考系元数据元数据空间元数据空间元数据实体的存储2.1空间数据结构空间数据结构1)属性特征用以描述事物或现象的特性；2)空间特征用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特征；3)时间特征用以描述事物或现象随时间的变化。1、空间数据的特征2.1空间数据结构空间数据结构2.1.1概述空间数据空空间间特特征征是是指指空空间间对对象象的的位位置置及及与与相相邻邻对对象象的空间关系或拓扑关系；的空间关系或拓扑关系；属性特征是指空间对象的专题属性；表示现象的特征表示现象的特征变量变量分类分类数量特征数量特征名称名称时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。1)属性数据描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据；2)几何数据描述空间数据的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据；3)关系数据描述空间数据之间的空间关系的数据，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法。2、空间数据的类型2.1空间数据结构空间数据结构2.1.1概述空间数据将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储l属性数据二维关系表格形式存储；l元数据以特定的空间元数据格式l空间特征数据主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。3、空间数据的存储2.1.1概述空间数据2.1空间数据结构空间数据结构1)有零维、一维、二维、三维之分，对应着不同的空间特征类型：点、线、面、体；2)在地图中实体维数的表示可以改变1、空间维数2.1.1概述实体的空间特征2.1空间数据结构空间数据结构1)点状实体（点或节点、点状实体）：有特定位置，维数为0的物体。具体有下列类型的点：实体点、注记点、内点和节点等不同类型；2)线状实体：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示；3)面状实体（多边形）：由一封闭曲线加内点来表示；4)体、立体状实体：用于描述三维空间中的现象与物体。2、空间特征类型2.1.1概述实体的空间特征2.1空间数据结构空间数据结构1 1、点状实体2-12-1空间实体空间实体点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0 0的物体。的物体。 4 4）角点、节点）角点、节点VertexVertex：表示线段和弧段上的连接点。表示线段和弧段上的连接点。 1）实体点）实体点：用来代表一个实体。：用来代表一个实体。2）注记点）注记点：用于定位注记。：用于定位注记。3）内点：）内点：用于负载多边形的属性，用于负载多边形的属性，存在于多边形内。存在于多边形内。2 2、线状实体1）实体长度）实体长度：从起点到终点的总长从起点到终点的总长2）弯曲度）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性）方向性：如：水流方向，上游如：水流方向，上游下游，下游，公路，单、双向之分。公路，单、双向之分。2-12-1空间实体空间实体具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性特性：线状实体包括线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。线段，边界、链、弧段、网络等。3 3、面状实体（多边形）2-12-1空间实体空间实体面状实体的如下面状实体的如下特征特征：1 1）面积范围面积范围 2 2）周长周长3 3）独立性或与其它地物相邻独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家如中国及其周边国家4 4）内岛屿或锯齿状外形内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5 5）重叠性与非重叠性）重叠性与非重叠性： 如学校的分区，菜市场的服务范围等如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。市的各个城区一般说来不会出现重叠。 是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由在数据库中由一封闭曲线加内点一封闭曲线加内点来表示。来表示。体、立体状实体2-12-1空间实体空间实体 立立体体状状实实体体用用于于描描述述三三维维空空间间中中的的现现象象与与物物体体，它它具具有有长长度度、宽宽度度及及高高度度等等属性，立体状实体一般具有以下一些空间属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征特征：体积，如工程开控和填充的土方量。体积，如工程开控和填充的土方量。每个二维平面的面积。每个二维平面的面积。周长。周长。内岛。内岛。含有弧立块或相邻块。含有弧立块或相邻块。 断面图与剖面图。断面图与剖面图。 现实世界的各种现象比较复杂，往往由上述不同的空间类型组合而成，复杂实体由简单实体组合表达。如：线面面-面3、实体类型组合2.1.1概述实体的空间特征2.1空间数据结构空间数据结构线面1、区区域域包包含含线线：计计算算区区域域内内线线的的密密度度，某省的水系分布情况。某省的水系分布情况。2、线线通通过过区区域域：公公路上否通过某县。路上否通过某县。3、线线环环绕绕区区域域：区区域域边边界界，搜搜索索左左右右区区域域名名称称，中中国国与与哪哪些些国家接壤。国家接壤。4、线与区域分离：、线与区域分离：距离。距离。面面1、包包含含：岛岛,某某省省的的湖湖泊泊分布。分布。2、相相合合：重重叠叠，学学校校服服务务范范围围与与菜菜场场服服务务范范围围重重叠叠区。区。3、相交相交：划分子区。：划分子区。4、相相邻邻：计计算算相相邻邻边边界界性性质和长度，公共连接边界。质和长度，公共连接边界。分离分离：计算距离。：计算距离。学校学校菜场菜场定义、编码/模型化现实世界观察、抽象/综合取舍数字世界（GIS数据模型）数据模型）现实世界中客观实体的抽象过程概念世界概念世界 空间数据表示的基本任务就是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式，也就是将客观世界的地理现象转化为抽象表达的数字世界相关信息的过程。2.1.1概述空间认知模型从现实世界到计算机世界概念模型数据模型数据结构文件格式四个层次现实世界用户认识局部抽象概念模型-面向用户数据模型-面向机器按照著名数据库专家E.F.Codd的理论认为数据模型实质上是一组为用户服务的规则,这些规则规定其数据结构如何组织以及应当允许进行何种操作。空间认知三层模型概念数据模型关于实体和实体间联系的抽象概念集矢量数据模型、栅格数据模型和一体化数据模型逻辑数据模型表达概念模型中的数据实体（或记录）及其间的关系层次模型、网络模型和关系模型物理数据模型描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构空间数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。基本上分为矢量结构和栅格结构（或矢量模型或栅格模型）。2.1.1概述空间数据结构数据模型与数据结构的关系数据结构是数据模型和文件格式之间的中间媒介。实际应用中，一般认为数据模型是数据结构的高层次抽象，而数据结构是数据模型的具体实现。如在数据库系统中，数据结构是指按照一定方式存储和访问数据的方法或程序的集合；而数据模型则是一般化的高度抽象的概念集合。拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折叠，这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何属性。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。1、定义2.1.1概述空间关系2.1空间数据结构空间数据结构假设欧氏平面是一张高质量无边界的橡皮，该橡皮能够伸长和缩短到任何理想的程度。假如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个点。假如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个点。无论对橡皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内部，无论对橡皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不改变，而多边形的面积点和多边形之间的空间位置关系不改变，而多边形的面积则会发生变化。则会发生变化。拓扑变换(橡皮变换)前者是空间的拓扑属性，后者则不是拓扑属性。前者是空间的拓扑属性，后者则不是拓扑属性。 1、描述地理要素空间性的信息、描述地理要素空间性的信息几何信息（理论基础是几何学几何信息（理论基础是几何学geometry)用空间坐标的位置、方向、角度、距离、面积等信息描用空间坐标的位置、方向、角度、距离、面积等信息描述物体的几何形状和数量特征；述物体的几何形状和数量特征；拓扑信息（理论基础是拓扑学拓扑信息（理论基础是拓扑学topology)用几何关系的相连、相邻、包含等信息描述物体元素之用几何关系的相连、相邻、包含等信息描述物体元素之间的关系；间的关系；非拓扑属性（几何）拓扑属性两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度区域周长区域面积一个点在一条弧段的端点一条弧是一简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性（面内任两点从一点可在面的内部走向另一点）2.1.1概述空间关系2.1空间数据结构空间数据结构2、拓扑学中空间元素、拓扑学中空间元素拓扑学是几何学的一个分支，其基本元素：拓扑学是几何学的一个分支，其基本元素：结点（结点（NODE）：）：弧段的交点。岛结点是特殊结点。弧段的交点。岛结点是特殊结点。弧段（弧段（ARC）：）：相邻两结点之间的坐标链。岛边界弧段是特殊相邻两结点之间的坐标链。岛边界弧段是特殊弧段。弧段。多边形（多边形（polygon）（）（图斑或面）有限弧段组成的封闭区。图斑或面）有限弧段组成的封闭区。拓扑结构拓扑结构：是明确定义空间结构关系的一种数学方法。是明确定义空间结构关系的一种数学方法。关系的性质可分为：相邻、相连、相交、相离、相重、包含等。关系的性质可分为：相邻、相连、相交、相离、相重、包含等。3、空间数据的拓扑关系1）拓扑的关联性表示不同类型元素（结点、弧段、多边形）之间的关系多边形多边形弧段号弧段号弧段号弧段号起点起点终点终点结点结点弧段弧段p1a1a5a6a1N2N1N1a1a3a5P2a2a4a6a2N2N3N2a1a2a6P3a3a4a5a3N3N1N3a2a3a4p4a7a4N3N4N4a4a5a6a5N1N4N5a7a6N4N2a7N5N5P1P2P3P4a1a2a3a4a5a6a7N1N2N3N4N52）拓扑的邻接性表示同类型元素（结点、弧段、多边形）之间的关系多边形之间的邻接性；弧段之间的邻接性；结点之间的邻接性p1p2p3p4a1a2a3a4a5a6a7N1N2N3N4N5P1110a1110110N11110p2111a2111010N21110p3110a3111100N31110p4010a4011110N41110a5101110N50000a6110110a7000000多边形邻接矩阵多边形邻接矩阵弧段邻接矩阵弧段邻接矩阵结点结点邻接邻接矩阵矩阵P1P2P3P4a1a2a3a4a5a6a7N1N2N3N4N54、小结小结拓扑关系拓扑关系：拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。常用的拓扑关系有拓扑邻接、拓扑关形关系不变的性质。常用的拓扑关系有拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。联、拓扑包含。拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。不不同同类类同同类类同类不同级同类不同级1 根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。（因为拓扑数据已经清楚地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且这种拓扑数据较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。）拓扑关系的研究意义Longitude/Latitude投影Gauss-Krivger投影2 2 利用拓扑数据有利于空间要素的查询利用拓扑数据有利于空间要素的查询( (例如像某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等，都需要利用拓扑数据。) )3 3 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体（例如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。）从拓扑角度看，几何形状不同的事物其拓扑关系可能相同点之间拓扑关系（邻接性）的描述点之间拓扑关系（邻接性）的描述面之间拓扑关系（邻接性）的描述面之间拓扑关系（邻接性）的描述2.1.1概述空间关系2.1空间数据结构空间数据结构返回2.1.2矢量数据结构矢量数据的图形表示2.1空间数据结构空间数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据的图形表示1、矢量数据的图形表示1）点实体：记录点坐标和属性代码；2）线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；3）面实体：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。2.1空间数据结构空间数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据的获取方式2、矢量数据的获取方式1）由外业测量获得，可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。）由栅格数据转换获得，利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3）跟踪数字化，用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。2.1空间数据结构空间数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据表示3、矢量数据表示）矢量数据自身的存贮和处理。）与属性数据的联系。）矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。2.1空间数据结构空间数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据表示1)简单数据结构标识码X，Y坐标点X，Y坐标坐标对数n标识码线（链）链数n链标识码集标识码面2.1空间数据结构空间数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据表示2)拓扑数据结构1）拓扑元素点(结点)孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点等。线(链、弧段、边)两结点间的有序弧段。面(多边形)若干条链构成的闭合多边形。2.1空间数据结构空间数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据表示拓扑数据结构2)编码方式2.1空间数据结构空间数据结构空间数据结构是指空间数据适合于计算机存储、空间数据结构是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构，也就是指空间数据以什管理、处理的逻辑结构，也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和管理。么形式在计算机中存储和管理。栅格数据结构栅格数据结构矢量数据结构矢量数据结构矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较矢量栅格一体化数据结构矢量栅格一体化数据结构2.1.2矢量数据结构矢量数据结构的编码方式2.1空间数据结构空间数据结构数据结构一般分为基于数据结构一般分为基于矢量模型矢量模型的数据结的数据结构和基于构和基于栅格模型栅格模型的数据结构的数据结构 矢量数据结构矢量数据结构是是GISGIS中常见的图形数据结构，中常见的图形数据结构，通过记录坐标方式尽可能精确地表示点、通过记录坐标方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体。线、多边形等地理实体。栅格数据结构栅格数据结构是以规则的阵列来表示空间是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征个数据表示地物或现象的非几何属性特征目前，为了设计系统能用于多种目的，正目前，为了设计系统能用于多种目的，正在研制在研制矢量栅格一体化矢量栅格一体化的数据结构，该数的数据结构，该数据结构具有矢量和栅格两种结构的特性。据结构具有矢量和栅格两种结构的特性。常用的空间数据结构常用的空间数据结构XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn一、基本概念一、基本概念基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。构。矢量结构是通过记录矢量结构是通过记录坐标坐标的方式来表示点、的方式来表示点、线、面等地理实体。即它是用一系列有序的线、面等地理实体。即它是用一系列有序的x x、y y坐标对表示地理实体的空间位置坐标对表示地理实体的空间位置 特点：特点：定位明显，属性隐含。定位明显，属性隐含。 2.1.2矢量数据结构矢量数据结构的编码方式2.1空间数据结构空间数据结构矢量结构编码方法矢量结构编码方法1 1、点实体矢量编码方法、点实体矢量编码方法2 2、线实体矢量编码方法、线实体矢量编码方法3 3、多边形矢量编码方法、多边形矢量编码方法点实体编码x,y坐标坐标其它属性其它属性有关属性有关属性简单点简单点符号符号文本点文本点字符字符结结点点符号符号比例比例朝向朝向到线状目标的指针到线状目标的指针与线相交的角度与线相交的角度比例比例朝向朝向字体字体排列排列统一标识统一标识类别或系列号类别或系列号点点类型类型简单点简单点文本点文本点结结点点线实体编码唯一标示码唯一标示码线标示码线标示码起始点起始点终止点终止点坐标对序列坐标对序列显示信息显示信息非几何属性非几何属性组成曲线的线元素越短，（x,y）坐标数量越多，就越逼近于一条复杂曲线组成地图的每个多边形应有唯一的形状、周长和面积能够记录每个多边形的领域关系专题图上的多边形不都是同一等级的多边形，注意“岛”或“洞”面（多边形）实体编码不但表示位置和属性，更重要的是表达区域的拓扑特性不但表示位置和属性，更重要的是表达区域的拓扑特性二、几种典型的矢量数据结构（spaghetti）-面面条条模模型型:以以实实体体为为单单位位记记录录其坐标其坐标缺点：缺点：1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形边形数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。除多边形公共边界，合并多边形。3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。主要用于表示空间图形为主要用于表示空间图形为多边形的面状要素多边形的面状要素。（一）实体式（多边形矢量编码）（一）实体式（多边形矢量编码）优点：结构简单、直观、优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的易实现以实体为单位的运算和显示。运算和显示。多边形坐标串P1X2,y2;x10,y10;x9,y9；P2X1,y1;x6,y6;x5,y5;x7,y7;123456789101112131415P PP PP P多边形数据项A30-29-28-27-26-25-24-23-22-21B1-2-3-4-5-7-8-9-10-11-12-13-21-22-23-24-25-26-27-28-29-30C1-20-19-18-17-16-15-14-7-5-4-3-2ABC10111213122019181716151478953421222324252627282930（二）索引式（树状）2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。形的索引文件。1、点文件：、点文件：点号坐标1x1,y1索引文件索引文件：面号弧段号P1A,B,C3、面文件：、面文件：2、弧段文件、弧段文件: 弧段号起点终点点号A527,8,9,10与实体式相比：与实体式相比：优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。123456789101112131415P PP PP P（三）双重独立式编码简简称称DIME(DualIndependentMapEncoding)，是是美美国国人人口口统统计计系系统统采用的一种编码方式，是一种采用的一种编码方式，是一种拓扑拓扑编码结构。编码结构。2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构1、点文件、点文件点号坐标1x1,y12、线文件、线文件: :线文件是以线文件是以线段线段为记录单位为记录单位 线号左多边形右多边形起点终点L210P1P22103、面文件、面文件面号线号P1L210,L109关联关联邻接邻接关联关联连通连通拓扑拓扑关关系明系明确确在在DIMEDIME中做如下改进：中做如下改进： 将以将以线段线段为记录单位改为以为记录单位改为以弧段弧段为单位为单位链状双重独立式编码链状双重独立式编码123456789101112131415P PP PP P（四）链状双重独立式编码-拓扑数据结构 2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构1、弧段坐标文件、弧段坐标文件：弧段号坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y102 2、弧段文件：链、弧段文件：链面，链面，链结点关系结点关系 弧段号左多边形右多边形起点终点AP1P2253、面文件、面文件面号弧段号P1A,B,-C4 4、点拓扑文件、点拓扑文件： 结点结点链关系链关系 点号弧段号2A,B,D拓扑关系明确，能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实拓扑关系明确，能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要际应用需要。123456789101112131415P PP PP P矢量数据结构的主要特点是矢量数据结构的主要特点是: :(1)(1)数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。数据编排直观，数字化操作简单。(2)(2)每个多边形都以闭合线段存储，多边形每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。成数据冗余和不一致。(3)(3)点、线和多边形有各自的坐标数据，但点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。没有拓扑数据，互相之间不关联。(4)(4)岛只作为一个单个图形，没有与外界多岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。边形的联系。2.1.3栅格数据结构基本概念栅格结构又称为网格结构（raster、gridcell）或像元结构（pixel）。在这种数据结构中，空间的二维投影平面被划分为大小均匀紧密相邻的规则格网阵列（通常为正方形），每个格网作为一个像元或像素，由行、列号定义，并包含一个表示该像素属性类型或量值的代码，或包含一个指向其属性记录的指针。每个栅格的大小代表了定义的空间分辨率，每个栅格对应于一个特定的空间位置，栅格的值表达了这个实际位置的状态。1、定义2.1空间数据结构空间数据结构SPOT XS 20m*20m 牡丹水庫band G, R, IR關於衛星影像栅格数据结构栅格数据结构a.属性明显、定位隐含b.操作简单、易于处理c.容易与遥感数据结合处理2、特点2.1.3栅格数据结构基本概念2.1空间数据结构空间数据结构a.矩形（正方形）b.菱形c.三角形、六边形d.经纬网栅格（辐射形）3、栅格元的分类2.1.3栅格数据结构基本概念2.1空间数据结构空间数据结构网格形状：2.1.3栅格数据结构栅格数据的图形表示2.1空间数据结构空间数据结构1、栅格数据的图形表示1)点实体：表示为一个像元；2)线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合；3)面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。2.1.3栅格数据结构栅格数据的图形表示2.1空间数据结构空间数据结构2.1.3栅格数据结构栅格数据的组织2.1空间数据结构空间数据结构栅格数据组织 一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。数据文件数据文件像元1X 坐标Y 坐标层1属性层2属性层3属性层n属性像元2像元n栅格数据组织方法方法方法a a：以以象元象元为记录序列，为记录序列，不同层上同一象元位置上的不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。各属性值表示为一个列数组。N层中层中只记录一层的象元位置，只记录一层的象元位置，节约大量存储空间，节约大量存储空间，栅格个栅格个数很多。数很多。以层为基础，每一层又以像元顺序记录它的坐标和属性值，一层记录完后再记录第二层。这种方法较为简单，但需要的存贮空间最大。数据文件数据文件层1x坐标Y坐标属性值像元2像元n像元1层2层n数据文件数据文件层1属性值多边形2多边形n多边形1层2层n像元1坐标像元2坐标像元n坐标方法方法c c：以以层层为基础，为基础，每层内以每层内以多边形多边形为序为序记录多边形的属性值记录多边形的属性值和多边形内各象元的和多边形内各象元的坐标。将同一属性的坐标。将同一属性的制图单元的制图单元的n n个象元的个象元的属性只记录一次，便属性只记录一次，便于地图分析和制图处于地图分析和制图处理。理。 2.1.3栅格数据结构栅格数据的组织2.1空间数据结构空间数据结构2.1.3栅格数据结构栅格结构的建立1、栅格数据的获取途径1）来自于遥感数据2）来自于对图片的扫描3）由矢量数据转换而来4）由手工方法获取2.1空间数据结构空间数据结构2、栅格系统的确定1）栅格坐标系的确定由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。2.1.3栅格数据结构2.1空间数据结构空间数据结构Y：列X：行栅格单元的尺寸确定的原则是应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大，按分辨率的平方指数增加，计算机成本就越高，处理速度越慢。具体可采用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸的方法。格网分辨率格网方向2、栅格系统的确定3、栅格代码（属性值）的确定1）中心归属法2）长度占优法3）面积占优法4）重要性法2.1.3栅格数据结构栅格结构的建立2.1空间数据结构空间数据结构几何偏差属性偏差如以像元边线计算则为如以像元边线计算则为7 7，以像元为单位则为，以像元为单位则为4 4。 三角形的面积为三角形的面积为6 6个平方单位，而右图中则为个平方单位，而右图中则为7 7个平方单位，这种误个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。差随像元的增大而增加。 abc345abcac距离: 7/4 (5)面积: 7 (6)2.1.3栅格数据结构栅格结构的存储1 1、直接栅格编码、直接栅格编码( (又称图像文件或栅格文件又称图像文件或栅格文件) )直直接接编编码码就就是是将将栅栅格格数数据据看看作作一一个个数数据据矩矩阵阵，逐逐行行（或或逐逐列列）逐逐个个记记录录代代码码，可可以以每每行行从从左左到到右右逐逐像像元元记记录录，也也可可奇奇数数行行从从左左到到右右而而偶偶数数行行由由右右向向左左记记录录，为为了了特特定定的的目目的的还还可可采采用用其其他他特特殊殊的顺序。的顺序。02255555222225550000033322223355002333550033335300033333000033330，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。 链链式式编编码码主主要要是是记记录录线线状状地地物物和和面面状状地地物物的的边边界界。他他把把线线状状地地物物和和面面状状地地物物的的边边界界表表示示为为：由由某某一一起起始始点点开开始始并并按按某某些些基基本本方方向向确确定定的的单单位位矢矢量量链链。基基本本方方向向可可定定义义为为：东东0 0，东东南南l l，南南2 2，西西南南3 3，西西4 4，西西北北5 5，北北6 6，东北东北7 7等八个基本方向（如图所示）。等八个基本方向（如图所示）。2 2、链码、链码76543012007 0 121 07 7 0 0链码编码链码编码：2，2，6，7，6，0，6，5123450760500000000500000000000000500000000550000000500000050000000000000链码编码示例链码编码示例 链式编码的前两个数字链式编码的前两个数字表示表示起点的行、列数起点的行、列数，从第，从第三个数字开始的每个数字表三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向，八个方示单位矢量的方向，八个方向以向以0 07 7的整数代表。的整数代表。 3 3、游程长度编码、游程长度编码(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；该代码以及相同代码重复的个数；（属性值，重复个数）（属性值，重复个数）0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿沿行方向进行编码行方向进行编码：(0，1），），（2，2），（），（5，5）；（）；（2，5），），（5，3）；（）；（2，4），（），（3，2），），（5，2）；（）；（0，2），（），（2，1），），（3，3），（），（5，2）；（）；（0，2），），（3，4），（），（5，1），（），（3，1）；）；（0，3），（），（3，5）；（）；（0，4），），（3，4）；（）；（0，5），（），（3，3）。）。3 3、游程长度编码、游程长度编码(2)逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码（位置，属性值）（位置，属性值）0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿沿列方向进行编码列方向进行编码：(1，0），），（2，2），（），（4，0）；（）；（1，2），），（4，0）；（）；（1，2），（），（5，3），），（6，0）；（）；（1，5），（），（2，2），），（4，3），（），（7，0）；（）；（1，5），），（2，2），（），（3，3），（），（8，0）；）；（1，5），（），（3，3）；（）；（1，5），），（6，3）；（）；（1，5），（），（5，3）。）。3 3、游程长度编码、游程长度编码(3)按按行行（或或列列）记记录录相相同同代代码码的的始始末末像像元元的的列列号号（或或行行号号）和相应的代码；（起位，止位，属性值）和相应的代码；（起位，止位，属性值）0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿沿列方向编码列方向编码：(1，1，0），（），（2，3，2），（），（4，8，5）；）；（1，5，2），（），（6，8，5）；）；？ 4 4、块式编码、块式编码采采用用方方形形区区域域作作为为记记录录单单元元，数数据据编编码码由由初初始始位位置置行行列列号加上边长号加上边长，再加上记录，再加上记录单元的代码单元的代码组成。组成。0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333（1 1，1 1，1 1，0 0），（），（1 1，2 2，2 2，2 2），），（1 1，4 4，1 1，5 5），（），（1 1，5 5，1 1，5 5），），（1 1，6 6，2 2，5 5），（），（1 1，8 8，1 1，5 5）；）；（2 2，1 1，1 1，2 2），（），（2 2，4 4，1 1，2 2），），（2 2，5 5，1 1，2 2），（），（2 2，8 8，1 1，5 5）；）；（3 3，3 3，1 1，2 2），（），（3 3，4 4，1 1，2 2），），（3 3，5 5，2 2，3 3），（），（3 3，7 7，2 2，5 5）；）；（4 4，1 1，2 2，0 0），（），（4 4，3 3，1 1，2 2），），（4 4，4 4，1 1，3 3）；（）；（5 5，3 3，1 1，3 3），），（5 5，4 4，2 2，3 3），（），（5 5，6 6，1 1，3 3），），（5 5，7 7，1 1，5 5），（），（5 5，8 8，1 1，3 3）；）；（6 6，1 1，3 3，0 0），（），（6 6，6 6，3 3，3 3）；）；（7 7，4 4，1 1，0 0），（），（7 7，5 5，1 1，3 3）；）；（8 8，4 4，1 1，0 0），（），（8 8，5 5，1 1，0 0）。）。5 5、四叉树编码、四叉树编码是是根根据据栅栅格格数数据据二二维维空空间间分分布布的的特特点点，将将空空间间区区域域按按照照4 4个个象象限限进进行行递递归归分分割割（2 2n n2 2 n n，且且n1n1），直直到到子子象象限限的的数数值值单单调调为为止止，最最后得到一棵四分叉的倒向树。后得到一棵四分叉的倒向树。02255555222225550000033322223355002333550033335300033333000033331112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400000333033333530022 232222022225255533355西南东南西北东北 从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。面的一排数字表示各子区的代码。 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为求图形必须为2 2n n2 2 n n的栅格阵列。的栅格阵列。n n 为极限分割为极限分割次数，次数，n n是四叉树最大层数或最大高度。是四叉树最大层数或最大高度。四叉树四叉树( (也称四分树也称四分树) )数据结构常常先把地图看成是数据结构常常先把地图看成是一个正方形的单元如图所示（这是个简单的例子，在实一个正方形的单元如图所示（这是个简单的例子，在实际使用中，一幅地图上总有很多多边形际使用中，一幅地图上总有很多多边形 ）：）：如果该单元内有不同性如果该单元内有不同性质的多边形，则将单元分成质的多边形，则将单元分成四个大小相同的二级单元，四个大小相同的二级单元，然后再分别判断这四个二级然后再分别判断这四个二级单元中是否还有不同性质的单元中是否还有不同性质的多边形，若其中某个二级单多边形，若其中某个二级单元中有不同性质的多边形，元中有不同性质的多边形，则再划分成四个大小相同的则再划分成四个大小相同的三级单元。这种逐级三级单元。这种逐级一分为一分为四四的方法，一直分到预定的的方法，一直分到预定的最高分辨率为止。最高分辨率为止。直接栅格编码：直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；型（栅格文件）；链码：链码：压缩效率较高，已接近矢量结构，对边界的运压缩效率较高，已接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。法。八叉树结构思想：思想：四叉树在三维空间的推广。四叉树在三维空间的推广。 将将要要表表示示的的形形体体V放放在在一一个个充充分分大大的的正正方方体体C内内，C的的边边长长为为2n，不不断断用用两两个个与与XOY、XOZ的的平平面面均均分分C为为8个个子子体体，并并判判断断属属性性单一性。单一性。3 30 01 12 24 45 57 7XYZ1)矢量面向目标组织数据2)栅格面向空间分布组织数据1、矢量、栅格数据结构的优缺点2.1.4矢量栅格一体化数据结构2.1空间数据结构空间数据结构 将矢量面对目标的方法和栅格像元填将矢量面对目标的方法和栅格像元填充的方法结合起来，具体采用填满线状充的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和填充面状目标空间的方法作目标路径和填充面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。为一体化数据结构的基础。线状地物线状地物：除记录原始取样点外，还记：除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格。录路径所通过的栅格。面状地物面状地物：除记录它的多边形周边以外，：除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。还包括中间的面域栅格。一方面，它保留了矢量的全部性质，以一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。联系。2.1.4矢量栅格一体化数据结构矢量数据结构与栅格数据结构的选择栅格结构栅格结构:大范围小比例尺的自然资源、环境、农林大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。业等区域问题的研究。 遥感图像处理遥感图像处理矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用用事业管理等方面的应用。 线画地图线画地图 相互连接的线网络或多边形网络（交通网，相互连接的线网络或多边形网络（交通网，供、排水，煤气管道，电缆等）供、排水，煤气管道，电缆等）在在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。情况，选择合适的数据结构。第二章地理信息系统的空间数据结构和数据库2.1空间数据结构空间数据结构2.2GIS的数据模的数据模型型2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2.1.1概述2.1.2矢量数据结构2.1.3栅格数据结构2.1.4矢量栅格一体化数据结构2.1.5三维数据结构2.2.1概述2.2.2层次数据模型2.2.3网状数据模型2.2.4关系数据模型2.2.5对象数据模型2.2.6时空数据模型2.3.1数据的管理模式2.3.2空间数据库的设计、建立和维护2.2GIS的数据模型的数据模型n数据库基础知识n传统数据模型及其存储空间数据的局限n面向对象技术n面向对象地理数据模型主要内容：数据库技术产生于60年代末期，是计算机领域中最重要的技术之一，由数据集、物理存储介质和数据库软件三个基本部分构成。数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集中、统一地存储和管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且具有较高的数据独立性，能为多种应用服务。2.2GIS的数据模型的数据模型数据库基础知识在数据库系统中，现实世界中的事物及联系是用数据模型来描述的，数据库中各种操作功能的实现是基于不同的数据模型的，因而数据库的核心问题是模型问题。数据模型是数据库中对数据的逻辑组织形式的描述。数据模型大体可以分为两种类型：一种是独立于计算机之外的，如实体关系模型、语义数据模型等，它们不涉及信息在计算机中如何表示，常称概念模型；另一种模型是直接面向计算机的，它们以记录为单位构造数据模型，如数据库中常用的层次模型、网状模型和关系模型等。2.2GIS的数据模型的数据模型数据库基础知识数据库管理系统(DBMS)是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。它是数据库系统的核心，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。数据库管理系统(DBMS)通常具有数据库定义、管理和维护功能。2.2GIS的数据模型的数据模型数据库基础知识1、层次模型用于GIS地理数据库的局限性1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除2.2GIS的数据模型的数据模型传统数据模型及其存储空间数据的局限1、层次模型用于GIS地理数据库的局限性4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径；5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。2.2GIS的数据模型的数据模型传统数据模型及其存储空间数据的局限2、网状模型用于GIS地理数据库的局限性1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题；3）不直接支持对于层次结构的表达3）基本不具备演绎功能和操作代数基础。2.2GIS的数据模型的数据模型传统数据模型及其存储空间数据的局限3、关系模型用于GIS地理数据库的局限性1）由于无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱；2）用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高。2.2GIS的数据模型的数据模型传统数据模型及其存储空间数据的局限传统数据模型及其存储空间数据的局限2.2GIS的数据模型的数据模型1、基本思想和基本概念1)面向对象的基本思想是通过对问题领域进行自然的分割，用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，并进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程。面向对象技术2.2GIS的数据模型的数据模型面向对象技术2.2GIS的数据模型的数据模型基本概念a.对象含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体；b.类共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类；c.消息对对象进行操作的请求，是连接对象与外部世界的唯一通道；d.方法对对象的所有操作。面向对象技术2.2GIS的数据模型的数据模型2、面向对象的特性1)抽象性2)封装性3)多态性面向对象技术2.2GIS的数据模型的数据模型3、面向对象数据模型的四种核心技术1)分类：是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程2)概括：将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程3)聚集：聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程4)联合：相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合面向对象技术2.2GIS的数据模型的数据模型4、面向对象数据模型的核心工具1)继承：一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅可以把父类的特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。它服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。2)传播：传播是一种作用于聚集和联合的工具，用于描述复合对象或集合对象对成员对象的依赖性并获得成员对象的属性的过程。它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合对象。面向对象技术2.2GIS的数据模型的数据模型1、面向对象数据模型的含义1)含义：为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。这就是面向对象数据模型的含义，其具体实现就是面向对象的数据结构。2)优势：面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型1、面向对象数据模型的含义3)特点：允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。可以将空间对象根据需要，定义合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。4)核心：对复杂对象的模拟和操纵面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型1)含义：指具有复杂结构和操作的对象。复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象构成，或具有复杂的嵌套关系等。2)特点：一个复杂对象由多个成员对象构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成；具有多种数据结构，如矢量、栅格、关系表等；一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持，也就是说，可以分布于不同的数据库中。复杂对象及特点面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型2、面向对象的几何数据模型面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型拓扑关系与面向对象模型面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型3、面向对象的属性数据模型面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型4、面向对象地理数据模型的特点1)可充分利用现有数据模型的优点。2)具有可扩充性。3)可以模拟和操纵复杂对象。面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型5、面向对象数据库系统面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型1)缩小了语义差距2)减轻了“阻抗失配”问题3)适应非传统应用的需要面向对象数据库系统所具有的优势面向对象地理数据模型2.2GIS的数据模型的数据模型第二章地理信息系统的空间数据结构和数据库2.1空间数据结构空间数据结构2.2GIS的数据模的数据模型型2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2.1.1概述2.1.2矢量数据结构2.1.3栅格数据结构2.1.4矢量栅格一体化数据结构2.1.5三维数据结构2.2.1概述2.2.2层次数据模型2.2.3网状数据模型2.2.4关系数据模型2.2.5对象数据模型2.2.6时空数据模型2.3.1数据的管理模式2.3.2空间数据库的设计、建立和维护1、基于文件管理的方式1)概念：各个地理信息系统应用程序对应各自的空间和属性数据文件，当两个GIS应用程序需要的数据有相同部分时，可以提出来作为公共数据文件。数据的管理模式2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2、文件与关系数据库混合管理系统双元模型1)概念：目前大部分GIS软件采用混合管理模式，即文件系统管理几何图形数据，商用DBMS管理属性数据，它们之间的联系通过目标标识码进行连接。2)对属性数据来说，则因系统和历史发展而异，分为图形与属性结合的各自分开处理模式图2-6-17（b）和图形与属性结合的混合处理模式,图2-6-17（c）数据的管理模式2.3空间数据库的设计空间数据库的设计3、全关系型空间数据库管理系统分层模型1)概念：将空间数据与属性数据统一用现有的RDBMS管理，但标准RDBMS又不能直接处理空间数据，GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的功能。2)对用RDBMS管理图形数据有两种模式：基于关系模型的方式；将图形数据的变长部分处理成BinaryBlock字段数据的管理模式2.3空间数据库的设计空间数据库的设计4、对象-关系数据库管理系统1)概念：DBMS软件商在RDBMS中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据。2)主要解决空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构不能由用户定义，用户不能根据要求再定义，使用上受一定限制。5、面向对象空间数据库管理系统数据的管理模式2.3空间数据库的设计空间数据库的设计空间数据库的设计1、需求分析1)调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法2)需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等3)编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2、结构设计空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2、结构设计1)概念设计通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型2)表示概念模型最有力的工具是E-R模型，即实体-联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，比一般的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2、结构设计2)逻辑设计在概念设计的基础上，按照不同的转换规则将概念模型转换为具体DBMS支持的数据模型的过程即导出具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构(或外模式)，包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。导出的逻辑结构是否与概念模式一致，能否满足用户要求，还要对其功能和性能进行评价，并予以优化。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计1)确定各实体的主关键字；2)确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式（函数依赖关系），即某一数据项决定另外的数据项；3)把经过消冗处理（规范化处理）的数据关系表达式中的实体作为相应的主关键字；4)根据、形成新的关系5)完成转换后，进行分析、评价和优化。从ER模型向关系模型转换的主要过程空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2、结构设计3)物理设计指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出地理数据库的存储模式(内模式)。主要内容包括确定记录存储格式，选择文件存储结构，决定存取路径，分配存储空间。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计3、数据层设计GIS的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的。数据的专业内容的类型通常是数据分层的主要依据，同时也要考虑数据之间的关系。如需考虑两类物体共享边界(道路与行政边界重合、河流与地块边界的重合)等，这些数据间的关系在数据分层设计时应体现出来。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计4、数据字典设计数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标准规范，它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建立、维护和更新。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计4、数据字典设计数据字典的内容包括：数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层详细内容的定义及结构、数据命名的定义、元数据（有关数据的数据，是对一个数据集的内容、质量条件及操作过程等的描述）等内容。空间数据库的设计2.3空间数据库的设计空间数据库的设计空间数据库的建立和维护1、空间数据库的建立1)建立空间数据库结构2)数据装入3)调试运行2.3空间数据库的设计空间数据库的设计2、空间数据库的维护1)建立空间数据库的重组织2)空间数据库的重构造3)空间数据库的完整性、安全性控制空间数据库的建立和维护2.3空间数据库的设计空间数据库的设计