第五章空間信息查詢

1、 趙 姍 環(huán)境與水利學(xué)院 2012.11 第五章第五章 空間信息查詢第五章 空間信息查詢第一節(jié)信息查詢與空間數(shù)據(jù)庫第二節(jié) 空間索引第三節(jié) 空間查詢方式第四節(jié) 空間信息查詢語言概念概念 查詢什么查詢什么 空間查詢的一般問題是“在什么地方?”、“是什么？”、怎樣（到達(dá)）？”查詢對象查詢對象圖形中的信息屬性表中的信息一般問題是“某圖元代表什么實體，有什么屬性”、“處于什么位置、距離、路徑”、“一定范圍內(nèi)包含的地物，地物之間的關(guān)系等”。 信息查詢信息查詢意義意義 信息管理信息管理 通過查詢可以獲取特定數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息管理和數(shù)據(jù)更新。特定信息提取特定信息提取 通過查詢提取需要的信息，據(jù)棄無關(guān)的信息，便于使

2、用?？臻g分析基礎(chǔ)空間分析基礎(chǔ) 查詢結(jié)果一般是對所需查找的信息及數(shù)據(jù)的報告，研究需要對這些數(shù)據(jù)單獨提出進(jìn)行相關(guān)分析。 信息查詢信息查詢分類分類空間位置和形態(tài)空間位置和形態(tài) 對象所在的地理區(qū)域，對象的幾何和屬性特征?？臻g關(guān)系和關(guān)聯(lián)空間關(guān)系和關(guān)聯(lián) 空間對象間的拓?fù)潢P(guān)系?？臻g分布規(guī)律空間分布規(guī)律 特定類別地物分布在特定的區(qū)域，如電子市場、娛樂場所、飲食街等。時空演化時空演化 通過時間空間數(shù)據(jù)分析，可以研究和揭示事物發(fā)展演化的規(guī)律?？臻g數(shù)據(jù)庫中的信息空間數(shù)據(jù)庫中的信息 空間索引空間索引空間索引空間索引就是指依據(jù)空間對象的就是指依據(jù)空間對象的位置和形位置和形狀狀或空間對象之間的某種或空間對象之間的某種空間

3、關(guān)系空間關(guān)系按一定按一定的順序排列的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). .其中包含空間對象的概要信息，如對象的其中包含空間對象的概要信息，如對象的標(biāo)識、外接矩形及指向空間對象實體的指標(biāo)識、外接矩形及指向空間對象實體的指針。針。概念概念 空間索引空間索引空間索引介于空間操作算法和空間對象之間，它空間索引介于空間操作算法和空間對象之間，它通過篩選作用，大量與特定空間操作無關(guān)的空間通過篩選作用，大量與特定空間操作無關(guān)的空間對象被排除，從而提高空間操作的速度和效率。對象被排除，從而提高空間操作的速度和效率?？臻g索引的性能的優(yōu)劣直接影響空間數(shù)據(jù)庫和地空間索引的性能的優(yōu)劣直接影響空間數(shù)據(jù)庫和地理信息系

4、統(tǒng)的整體性能，它是空間數(shù)據(jù)庫和地理理信息系統(tǒng)的整體性能，它是空間數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。信息系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。 作用作用 空間索引空間索引索引對象的無序性索引對象的無序性 空間對象沒有明確次序。當(dāng)確定某對象在一個子空空間對象沒有明確次序。當(dāng)確定某對象在一個子空間內(nèi)，需要逐個進(jìn)行比較。間內(nèi)，需要逐個進(jìn)行比較。索引對象的不規(guī)則性索引對象的不規(guī)則性 空間對象不是規(guī)則圖形。需要適當(dāng)選取規(guī)則圖形近空間對象不是規(guī)則圖形。需要適當(dāng)選取規(guī)則圖形近似。例如，選取平行于坐標(biāo)軸的矩形。似。例如，選取平行于坐標(biāo)軸的矩形。索引對象的交叉性索引對象的交叉性 空間對象可以交叉或者重疊。一個對象可能屬于多空間對

5、象可以交叉或者重疊。一個對象可能屬于多個子空間，需要多路檢索。個子空間，需要多路檢索。特點特點 例如：查找經(jīng)過河南省的所有河流。例如：查找經(jīng)過河南省的所有河流。 常規(guī)方法：檢查所有河流和河南省省界是否相交。 缺點：用實際空間對象比較，算法復(fù)雜，計算開銷大、IO開銷大。 索引方法：記錄河流和省界的外接矩形。用外接矩形進(jìn)行比較。 空間索引空間索引將空間位置作為一個屬性放入關(guān)系表中將空間位置作為一個屬性放入關(guān)系表中建立一個空間索引層建立一個空間索引層cell空間索引層地理要素層 空間索引空間索引空間屬性表空間屬性表描述要素的一般信息，描述要素的一般信息，空間索引表空間索引表描述要素所在格網(wǎng)的信息，描

6、述要素所在格網(wǎng)的信息，要素描述表要素描述表描述要素的點數(shù)，范圍等信息，描述要素的點數(shù)，范圍等信息，三張表通過三張表通過FIDFID（Feature IDFeature ID）關(guān)聯(lián)）關(guān)聯(lián) 空間索引空間索引 空間索引空間索引格網(wǎng)索引格網(wǎng)索引R R樹和樹和R+R+樹索引樹索引常見的空間索引常見的空間索引 常見空間索引一般是常見空間索引一般是自頂向下、逐級劃分空間自頂向下、逐級劃分空間的各種的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間索引，比較有代表性的包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間索引，比較有代表性的包括BSP樹、樹、R樹、樹、R+樹和樹和CELL樹等。此外，結(jié)構(gòu)較為簡單的格網(wǎng)型空間索樹等。此外，結(jié)構(gòu)較為簡單的格網(wǎng)型空間索引有著廣泛的應(yīng)用

7、。引有著廣泛的應(yīng)用。 空間索引空間索引基本思想基本思想是將研究區(qū)域用橫豎線條劃分大小相等是將研究區(qū)域用橫豎線條劃分大小相等和不等的格網(wǎng)，記錄每一個格網(wǎng)所包含的空間實和不等的格網(wǎng)，記錄每一個格網(wǎng)所包含的空間實體。當(dāng)用戶進(jìn)行空間查詢時，首先計算出用戶查體。當(dāng)用戶進(jìn)行空間查詢時，首先計算出用戶查詢對象所在格網(wǎng)，然后再在該網(wǎng)格中快速查詢所詢對象所在格網(wǎng)，然后再在該網(wǎng)格中快速查詢所選空間實體，這樣一來就大大地加速了空間索引選空間實體，這樣一來就大大地加速了空間索引的查詢速度。的查詢速度。 1、格網(wǎng)索引、格網(wǎng)索引 空間索引空間索引 為了便于建立空間為了便于建立空間索引的線性表索引的線性表, ,每個格每個格

8、網(wǎng)按一定規(guī)律進(jìn)行編碼網(wǎng)按一定規(guī)律進(jìn)行編碼，建立碼與空間實體的建立碼與空間實體的關(guān)系關(guān)系, ,該關(guān)系表就成為該關(guān)系表就成為格網(wǎng)索引文件。每個要格網(wǎng)索引文件。每個要素在一個或者多個網(wǎng)格素在一個或者多個網(wǎng)格中中, ,每個網(wǎng)格可以包含每個網(wǎng)格可以包含多個要素。多個要素。 1、格網(wǎng)索引、格網(wǎng)索引2123293153556163202228305254606217192527495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042212329315355616320222830525460621719252

9、7495157591618242648505658571315373945474612143638444613911333541430281032344042空間索引空間索引對象索引對象索引Peano鍵鍵空間對象空間對象空間對象空間對象Peano鍵集鍵集7BA25-2514EB7-715EC54-5525AC60-6026ED32-3332DD35-3533DD38-3835D.FE14-1537EE26-2638DE37-3739EE39-3948EE48-4850EE50-5054CF35-3555C60C1、格網(wǎng)索引、格網(wǎng)索引ABCEDF每個要素在一個或者多個網(wǎng)格中每個要素在一個或者多個

10、網(wǎng)格中,每個網(wǎng)格每個網(wǎng)格可以包含多個要素可以包含多個要素,要素不是真正被分割。要素不是真正被分割。由此建立由此建立Peano鍵和空間對象的關(guān)系。鍵和空間對象的關(guān)系。 空間索引空間索引 R R樹根據(jù)地物的樹根據(jù)地物的最小外接矩形最小外接矩形建立，可以直建立，可以直接對空間中占據(jù)一定范圍的空間對象進(jìn)行索引。接對空間中占據(jù)一定范圍的空間對象進(jìn)行索引。 R R樹索引設(shè)計虛擬的矩形目標(biāo)，將空間目標(biāo)樹索引設(shè)計虛擬的矩形目標(biāo)，將空間目標(biāo)包含在矩形內(nèi)。這些矩形作為空間索引，含有包包含在矩形內(nèi)。這些矩形作為空間索引，含有包含的空間對象的指針。含的空間對象的指針。 RECTRECT（IDID，MinXMinX，M

11、axXMaxX，MinYMinY，MaxYMaxY）2、R樹和樹和R+樹樹MBRMBR（Minimum Bounding BoxMinimum Bounding Box 最小外接矩最小外接矩形）形） 空間索引空間索引 R R樹樹 在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)檢索時，先判斷哪些矩形落在在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)檢索時，先判斷哪些矩形落在檢索窗口內(nèi)，再進(jìn)一步判斷哪些目標(biāo)是被檢索的內(nèi)檢索窗口內(nèi)，再進(jìn)一步判斷哪些目標(biāo)是被檢索的內(nèi)容。容。在在R R樹構(gòu)造中，要求虛擬矩形盡可能少重樹構(gòu)造中，要求虛擬矩形盡可能少重疊，并且一個空間對象通常僅僅被一個矩疊，并且一個空間對象通常僅僅被一個矩形包含。實際中很難保證這種情況。形包含。實際中很

12、難保證這種情況。空間對象千姿百態(tài)，最小矩形通常范圍重空間對象千姿百態(tài)，最小矩形通常范圍重疊。于是提出了疊。于是提出了R R樹的改進(jìn)，樹的改進(jìn)，R+R+樹。樹。 空間索引空間索引2、R樹和樹和R+樹樹R+R+樹樹 R+R+樹允許虛擬矩形相互重疊，并允許一個空間樹允許虛擬矩形相互重疊，并允許一個空間目標(biāo)被多個虛擬矩形包含。目標(biāo)被多個虛擬矩形包含。1 1、圖查文、圖查文( (圖形查詢屬性圖形查詢屬性) )2 2、文查圖、文查圖( (屬性查詢圖形屬性查詢圖形) )2 2、空間關(guān)系的查詢、空間關(guān)系的查詢( (面面點、面點、面線、面線、面面、線面、線點、線點、線線查詢線查詢 ) )4 4、邏輯查詢、邏輯查

13、詢(SQL(SQL查詢查詢) ) 空間查詢方式空間查詢方式 空間查詢方式空間查詢方式1、圖查文、圖查文圖文互查是圖文互查是GISGIS中最常用的查詢。中最常用的查詢。 一般一般GISGIS軟件提供軟件提供“INFO”INFO”工具工具。用點選。用點選、區(qū)域圈選、多邊形選擇、矩形選擇的方式選、區(qū)域圈選、多邊形選擇、矩形選擇的方式選中地物，并顯示出查詢對象的屬性列表。中地物，并顯示出查詢對象的屬性列表。1）利用空間索引，在數(shù)據(jù)庫中快速檢索被選空間實體。2）根據(jù)實體和屬性的連接關(guān)系得到所查詢實體的屬性列表。圖查文圖查文圖查文圖查文 空間查詢方式空間查詢方式2、文查圖、文查圖如：在中國行政區(qū)圖查人口如

14、：在中國行政區(qū)圖查人口40004000萬的省。萬的省。1）和一般SQL查詢類似，構(gòu)建SQL查詢語句進(jìn)行查詢。2）查詢到結(jié)果后，利用圖形和屬性的對應(yīng)關(guān)系，再圖上表示出結(jié)果。文查圖文查圖文查圖文查圖MapInfo軟件中軟件中點目標(biāo)點目標(biāo)的幾何參數(shù)查詢的幾何參數(shù)查詢 空間查詢方式空間查詢方式MapInfo軟件中軟件中線目標(biāo)線目標(biāo)的幾何參數(shù)查詢的幾何參數(shù)查詢 空間查詢方式空間查詢方式Mapinfo軟件中軟件中面狀目標(biāo)面狀目標(biāo)的幾何參數(shù)查詢的幾何參數(shù)查詢 空間查詢方式空間查詢方式是指給定一個點或一個幾何圖形，檢索出是指給定一個點或一個幾何圖形，檢索出該圖形范該圖形范圍內(nèi)圍內(nèi)的空間對象以及相應(yīng)的屬性。這種

15、查詢方式又的空間對象以及相應(yīng)的屬性。這種查詢方式又稱為稱為圖形查詢屬性圖形查詢屬性的方式。的方式。 MapInfo軟件中圖形查屬性的表達(dá)方式軟件中圖形查屬性的表達(dá)方式 空間查詢方式空間查詢方式ArcView軟件中圖形查屬性的表達(dá)方式軟件中圖形查屬性的表達(dá)方式 空間查詢方式空間查詢方式 空間查詢方式空間查詢方式3、空間關(guān)系的查詢、空間關(guān)系的查詢 通過空間關(guān)系查詢和定位空間實體是地理通過空間關(guān)系查詢和定位空間實體是地理數(shù)據(jù)庫不同于一般數(shù)據(jù)庫的功能之一。數(shù)據(jù)庫不同于一般數(shù)據(jù)庫的功能之一。 如查詢滿足下列條件的城市：如查詢滿足下列條件的城市：京滬線東部（空間方位關(guān)系）；京滬線東部（空間方位關(guān)系）；距離

16、京滬線不超過距離京滬線不超過50km50km（空間距離關(guān)系）（空間距離關(guān)系）; ;城市人口大于城市人口大于100100萬（屬性信息查詢）；萬（屬性信息查詢）；空間關(guān)系的查詢空間關(guān)系的查詢面面查詢面面查詢 如與某個多邊形相鄰的多邊形有哪些如與某個多邊形相鄰的多邊形有哪些面線查詢面線查詢 如某個多邊形的邊界有哪些線如某個多邊形的邊界有哪些線面點查詢面點查詢 如某個多邊形內(nèi)有哪些點狀地物如某個多邊形內(nèi)有哪些點狀地物線面查詢線面查詢 如某條線經(jīng)過（穿過）的多邊形有哪如某條線經(jīng)過（穿過）的多邊形有哪 些，某條鏈的左、右多邊形是哪些些，某條鏈的左、右多邊形是哪些 空間查詢方式空間查詢方式線線查詢線線查詢

17、如與某條河流相連的支流有哪如與某條河流相連的支流有哪 些，某條道路跨過哪些河流。些，某條道路跨過哪些河流。線點查詢線點查詢 如某條道路上有哪些橋梁，某條如某條道路上有哪些橋梁，某條 輸電線上有哪些變電站。輸電線上有哪些變電站。點面查詢點面查詢 如某個點落在哪個多邊形內(nèi)。如某個點落在哪個多邊形內(nèi)。點線查詢點線查詢 如某個結(jié)點由哪些線相交而成。如某個結(jié)點由哪些線相交而成。 城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)查詢城鎮(zhèn)是否位于平原區(qū)內(nèi)舉例：點面查詢舉例：點面查詢(1)鄰接查詢鄰接查詢從多邊形與弧段關(guān)系的表中，檢索出該多邊形關(guān)從多邊形與弧段關(guān)系的表中，檢索出該多邊形關(guān)系的所有弧段系的所有弧段從弧段關(guān)系的左右多邊形的表中，檢索出這

18、些弧從弧段關(guān)系的左右多邊形的表中，檢索出這些弧段所關(guān)聯(lián)的多邊形段所關(guān)聯(lián)的多邊形(2) 包含關(guān)系查詢包含關(guān)系查詢 查詢某一個面狀所包含的某一類的空間對象查詢某一個面狀所包含的某一類的空間對象(3) 穿越查詢穿越查詢長江所經(jīng)過的縣市(4) 落入查詢落入查詢 查詢一個空間對象它落在哪個空間對象之內(nèi)。查詢一個空間對象它落在哪個空間對象之內(nèi)?？刹捎每臻g運算，使用點在多邊形內(nèi)，線在多邊可采用空間運算，使用點在多邊形內(nèi)，線在多邊形內(nèi)，或面在多邊形內(nèi)的判斷方法。形內(nèi)，或面在多邊形內(nèi)的判斷方法。 (5) 緩沖區(qū)查詢緩沖區(qū)查詢 緩沖區(qū)查詢根據(jù)用戶需要給定一個點緩沖、緩沖區(qū)查詢根據(jù)用戶需要給定一個點緩沖、線緩沖或面

19、緩沖的距離，從而形成一個緩沖區(qū)的線緩沖或面緩沖的距離，從而形成一個緩沖區(qū)的多邊形，再根據(jù)多邊形檢索的原理，檢索出該緩多邊形，再根據(jù)多邊形檢索的原理，檢索出該緩沖區(qū)多邊形內(nèi)的空間地物。沖區(qū)多邊形內(nèi)的空間地物。 距黃河距黃河150公里范圍內(nèi)的主要城市公里范圍內(nèi)的主要城市 （6） 地址匹配查詢地址匹配查詢 根據(jù)街道地址來查詢事物的空間位置和屬性根據(jù)街道地址來查詢事物的空間位置和屬性信息是地理信息系統(tǒng)特有的一種查詢功能，這種信息是地理信息系統(tǒng)特有的一種查詢功能，這種查詢利用地理編碼，輸入街道門牌號碼，就可知查詢利用地理編碼，輸入街道門牌號碼，就可知道大致的位置和所在的街區(qū)。道大致的位置和所在的街區(qū)。

20、空間查詢方式空間查詢方式（7）SQL查詢查詢 （7）SQL查詢查詢 空間查詢方式空間查詢方式查詢機(jī)耕道ArcGIS 空間信息查詢語言空間信息查詢語言、SQLSQL查詢語言查詢語言、擴(kuò)展的、擴(kuò)展的SQLSQL查詢查詢MapInfo軟件中SQL輸入標(biāo)準(zhǔn)對話框 通過SQL語言查詢的結(jié)果 Select from whereGISGIS中中SQLSQL查詢例查詢例1 1GISGIS中中SQLSQL查詢例查詢例2 2查世界地圖屬性表中有多少國家查世界地圖屬性表中有多少國家?總?cè)丝诳側(cè)丝?總面積總面積?多表連接查詢多表連接查詢?nèi)绮槌雒绹貓D數(shù)據(jù)中總?cè)丝诖笥谌绮槌雒绹貓D數(shù)據(jù)中總?cè)丝诖笥?0001000萬萬

21、且且州府人口大于州府人口大于2020萬的州萬的州 。 SELECT SELECT * * FROM States, Statecap FROM States, Statecap WHERE WHERE States.state = StatecapStates.state = Statecap .State and .State and States.pop_199010000000 and States.pop_199010000000 and Statecap.pop_1990 200000 Statecap.pop_1990 200000嵌套查詢嵌套查詢求世界地圖中同伊拉克處于同一大洲的

22、國家求世界地圖中同伊拉克處于同一大洲的國家 SELECT SELECT country,continent FROM FROM world WHERE WHERE continent = (SELECT SELECT continent FROM FROM world WHERE WHERE country=“Iraq” )； 首先求出伊拉克處于哪個洲；之后求出同伊首先求出伊拉克處于哪個洲；之后求出同伊拉克處于同一洲的國家。拉克處于同一洲的國家。擴(kuò)展擴(kuò)展SQLSQL查詢查詢擴(kuò)展擴(kuò)展SQLSQL查詢查詢1、查詢謂詞的擴(kuò)展、查詢謂詞的擴(kuò)展MapinfoMapinfo在在SELECTSELECT語句

23、中增加了語句中增加了地理函數(shù)地理函數(shù)和和地理運算符地理運算符. .擴(kuò)展擴(kuò)展SQLSQL查詢查詢1、查詢謂詞的擴(kuò)展、查詢謂詞的擴(kuò)展例例 ：美國：美國“I 10”號高速公路經(jīng)過哪幾個洲？號高速公路經(jīng)過哪幾個洲？ 先先美國高速公路中美國高速公路中找出找出 “I10”號高速公路；號高速公路； 再找再找“I 10”號高速公路經(jīng)過哪幾個洲號高速公路經(jīng)過哪幾個洲。WHERE States.obj CONTAINS Us_Hiway.obj AND (States.obj INTERSECTS (SELECT obj FROM Us_Hiway WHEREus_Hiway.highway= “I 10”)地地

24、 理理 運運 算算 符符 例如查詢?nèi)龒{地區(qū)長江流域人口大于例如查詢?nèi)龒{地區(qū)長江流域人口大于50萬的縣萬的縣或市，擴(kuò)展的或市，擴(kuò)展的SQL空間查詢語句為：空間查詢語句為： SELECT * * FROM 縣或市縣或市 WHERE 縣或市縣或市人口人口50萬萬 AND CROSS （河流（河流名稱名稱= =“長江長江”） 擴(kuò)展擴(kuò)展SQLSQL查詢查詢1、查詢謂詞的擴(kuò)展、查詢謂詞的擴(kuò)展擴(kuò)展SQL空間查詢結(jié)果 這些這些SQLSQL擴(kuò)充和應(yīng)用有關(guān)，目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)。擴(kuò)充和應(yīng)用有關(guān)，目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)。例：例：（1 1）選擇河南省所有城市和人口）選擇河南省所有城市和人口 SELECT SELECT 城市

25、名，人口城市名，人口 FROM FROM 城市城市 WHERE WHERE CENTERCENTER（城市地圖）（城市地圖）INSIDEINSIDE 河南；河南；（2 2）選擇流經(jīng)河南省的所有河流的名稱和河南境內(nèi)長度）選擇流經(jīng)河南省的所有河流的名稱和河南境內(nèi)長度 SELECT SELECT 河流名，河流名，LENGTHLENGTH（INTERSECTSINTERSECTS （ROUTEROUTE（河流流域圖），（河流流域圖），河南）；河南）； FROM FROM 河流河流 WHERE WHERE ROUTEROUTE ( (河流流域圖河流流域圖) )INTERSECTSINTERSECTS 河

26、南；河南；擴(kuò)展擴(kuò)展SQLSQL查詢查詢1、查詢謂詞的擴(kuò)展、查詢謂詞的擴(kuò)展 擴(kuò)展擴(kuò)展SQLSQL查詢查詢2、面向?qū)ο蟮臄U(kuò)展、面向?qū)ο蟮臄U(kuò)展OGISOGIS協(xié)會（協(xié)會（Open GISOpen GIS）是由一些主要軟件供應(yīng)商組成的）是由一些主要軟件供應(yīng)商組成的聯(lián)盟，負(fù)責(zé)制定與聯(lián)盟，負(fù)責(zé)制定與GISGIS互操作相關(guān)的行標(biāo)準(zhǔn)。互操作相關(guān)的行標(biāo)準(zhǔn)。OGISOGIS的空間的空間數(shù)據(jù)模型可以嵌入到各種編程語言中，例如數(shù)據(jù)模型可以嵌入到各種編程語言中，例如C C、JavaJava、SQLSQL等等，提出了一套規(guī)范，把二維地理空間等等，提出了一套規(guī)范，把二維地理空間ADTADT（abstract abstract data type, data type, 抽象數(shù)據(jù)類型）整合到抽象數(shù)據(jù)類型）整合到SQLSQL之中，并且包括了之中，并且包括了