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(kù)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(gè)級(jí)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(gè)級(jí)別：u數(shù)據(jù)項(xiàng)：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(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)或數(shù)據(jù)項(xiàng)組組成，是關(guān)于一個(gè)實(shí)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(kù)管理系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS） 在文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái) 位于用戶(hù)和操作系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存取和各種管理控制，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)所有操作通過(guò)DBMS進(jìn)行。 優(yōu)點(diǎn)：保持應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的獨(dú)立性。3.空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：空間數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)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(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(kù)混合管理模式 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理模式 對(duì)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(kù)管理系統(tǒng)1.基于文件管理的方式 各個(gè)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(gè)GIS應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)有相同部分時(shí)，可以提出來(lái)作為公共數(shù)據(jù)文件。2.文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)管理系統(tǒng)管理屬性數(shù)據(jù)，它們之間的聯(lián)系通過(guò)目標(biāo)標(biāo)識(shí)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(gè)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(kù)）格式文件管理，每個(gè)屬性記錄與相關(guān)的Shape記錄一一對(duì)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(diǎn)，其顯著特點(diǎn)還在于所需的磁盤(pán)空間更少和更易于讀寫(xiě)。Shape文件包括一個(gè)主文件、一個(gè)索引文件和一個(gè)dBASE表文件。 主文件是一個(gè)直接存取的變長(zhǎng)記錄的文件，其一條記錄描述了一個(gè)用一系列點(diǎn)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(kāi)始的偏

4、移量； dBASE文件的每條記錄包含一個(gè)特征的屬性，基于記錄號(hào)的幾何信息和屬性信息一一對(duì)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(kù)文件數(shù)據(jù)庫(kù)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?chǔ)在二進(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(kù)中。3.全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理模式 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(yùn)算、費(fèi)時(shí)。 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(kù)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(zhǎng)文本字符。FIDDateEntity.

6、EnvelopeNumofptsBLOB4.對(duì)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(kù)中，除了使用二進(jìn)制字段存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)外，還可以對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展，即將復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型作為對(duì)象放入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中,并提供索引機(jī)制和簡(jiǎn)單的操作。這種擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)庫(kù)稱(chēng)為對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。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(kù)管理系統(tǒng)之上進(jìn)行擴(kuò)展，使之能夠同時(shí)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(kù)管理系統(tǒng)之上進(jìn)行擴(kuò)展，外加一個(gè)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(chǔ)的倉(cāng)庫(kù)地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)的倉(cāng)庫(kù)要素類(lèi)、柵格數(shù)據(jù)要素類(lèi)、柵格數(shù)據(jù)關(guān)系類(lèi)、拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系類(lèi)、拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)支持不同平臺(tái)支持不同平臺(tái)可伸縮性可伸縮性分享地理價(jià)值GeodatabaseGeodatabase的優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)（1 1）具有）具有面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)多態(tài)性多態(tài)性不同的存儲(chǔ)方式、相同的要素操作方式不同的存儲(chǔ)方式、相同的要素操作方式繼承性繼承性子類(lèi)（子類(lèi)（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(chǔ)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一

8、存儲(chǔ)要素類(lèi)與要素要素類(lèi)與要素一個(gè)實(shí)體一個(gè)實(shí)體 一個(gè)要素一個(gè)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(lèi)型、有效性規(guī)則的運(yùn)用子類(lèi)型、有效性規(guī)則的運(yùn)用允許多用戶(hù)并發(fā)編輯允許多用戶(hù)并發(fā)編輯（6 6） 可伸縮的存儲(chǔ)解決方案可伸縮的存儲(chǔ)解決方案?jìng)€(gè)人（個(gè)人（PersonalPersonal）地理數(shù)據(jù)庫(kù)）地理數(shù)據(jù)庫(kù)文件（文件（FileFile）地理數(shù)據(jù)庫(kù)）地理數(shù)據(jù)庫(kù)ArcSDEArcSDE地理數(shù)據(jù)庫(kù)地理數(shù)

9、據(jù)庫(kù)Geodatabase的三種類(lèi)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(chǔ) 每個(gè)表存儲(chǔ)上限為1TB ArcSDE地理數(shù)據(jù)庫(kù)支持多用戶(hù)并發(fā)編輯存儲(chǔ)于RDBMS中伸縮性u(píng)個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)(.mdb)FOR MS ACCESS存儲(chǔ)上限為2GBu文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)(.gdb)3種類(lèi)型的Geodatabase比較 另一種是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的軟件商自己在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲(chǔ)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(jiǎn)介簡(jiǎn)介 Oracle Spatial是Oracle公司推出的空間空間數(shù)據(jù)庫(kù)組件數(shù)據(jù)庫(kù)

10、組件，通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)。 Oracle從9i開(kāi)始對(duì)空間數(shù)據(jù)提供了較為完備的支持。Oracle Spatial主要通過(guò)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(lái)管理空間數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上提供一系列空間查詢(xún)和空間分析空間查詢(xún)和空間分析的函數(shù)，讓用戶(hù)進(jìn)行更深層次的GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)。Oracle Spatial使用空間字段SDO_GEOMETRY存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)，用元數(shù)據(jù)表來(lái)管理具有SDO_GEOMETRY字段的空間數(shù)據(jù)表，并采用R樹(shù)索引和四叉樹(shù)索引技術(shù)來(lái)提高空間查詢(xún)和空間分析的速度。 創(chuàng)建包含SDO_GEOMETRY列的表來(lái)

11、存儲(chǔ)位置。SQLCREATE TABLE usersId NUMBER,Poi_name,VARCHAR2(32),Location SDO_GEOMETRY存儲(chǔ)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(lèi)型為點(diǎn) NULL，-其他字段設(shè)置為空 SDO_POINT_TYPE -指定點(diǎn)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(zhǎng)記彔，而且支持對(duì)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(kù)管理系統(tǒng)允許用戶(hù)定

12、義對(duì)象和對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及操作。這樣，我們可以將空間對(duì)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(gè)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，也出現(xiàn)一些基于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)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(kù)管理系統(tǒng)還不夠成熟，價(jià)栺又昂貴，目前在GIS領(lǐng)域還不太通用。相反基于對(duì)象-關(guān)系的空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)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(duì)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(zhuān)題層等）來(lái)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(gè)數(shù)據(jù)層，通?？臻g數(shù)據(jù)可按某種屬性特征形成一個(gè)數(shù)據(jù)層，通常稱(chēng)為圖層。稱(chēng)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(zhuān)題分層）專(zhuān)題分層 每個(gè)圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)專(zhuān)題，包含某一種或某一類(lèi)每個(gè)圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)專(zhuān)題，包含某一種或某一類(lèi)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(shí)間序列分層）時(shí)間序列分層 把不同時(shí)間或不同時(shí)期的數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)層。把不同時(shí)間或不同時(shí)期的數(shù)據(jù)作為一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)層把不同垂直高度的數(shù)據(jù)作為一個(gè)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(xún)、顯示、分析等。便于空間數(shù)據(jù)的管理、查詢(xún)、顯示、分析等。1 1）空間數(shù)據(jù)分為若干數(shù)據(jù)層后，對(duì)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(duì)所有空間數(shù)據(jù)的管理就簡(jiǎn)化為對(duì)各數(shù)據(jù)層的管理，而一個(gè)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往就簡(jiǎn)化為對(duì)各數(shù)據(jù)層的管理，而一個(gè)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(duì)較小，管理起來(lái)就相對(duì)簡(jiǎn)單；往比較單一，數(shù)據(jù)量也相對(duì)較小，管理起來(lái)就相對(duì)簡(jiǎn)單；2 2）對(duì)分層的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)時(shí)，不需要對(duì)所有空間數(shù)）對(duì)分層的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)時(shí)，不需要對(duì)所有空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，只需要對(duì)某一層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)即可，因據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，只需要對(duì)

15、某一層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)即可，因而可加快查詢(xún)速度；而可加快查詢(xún)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(duì)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(duì)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(pán)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(kù)維護(hù)不便，局部范圍更新，將處理整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。p查詢(xún)效率不高，查詢(xún)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(duì)時(shí)間越長(zhǎng)。 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(shí)際需要而定。大多數(shù)情況下，圖塊按照地圖圖幅大小來(lái)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(chǔ)與管理 在海量影像數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè) GB，鑲嵌后的遙感影像可能會(huì)超過(guò) 10GB 或 100GB 以上。面對(duì)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(jì)算機(jī)硬件配置都無(wú)法滿足要求。1.柵

17、格數(shù)據(jù)管理 為了實(shí)施對(duì)影像數(shù)據(jù)的高效的組織和存儲(chǔ)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(hù)需要以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)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(duì)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(guò)采樣算法得到低一層的影像數(shù)據(jù)。 分塊是對(duì)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(chǔ)。分塊之后只需要將需要顯示和處理的若干個(gè)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(guò)程 先將原始影像進(jìn)行分塊，然后對(duì)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(duì)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(kù)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(duì)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(gè)分辨率層次采用倍率抽取方法構(gòu)建金字塔時(shí)，從底層到頂層，分辨率越來(lái)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(duì)第 0 層采用隔點(diǎn)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(duì)第 1 層重復(fù)上面的步驟，得到第 2 層影像，繼續(xù)這個(gè)過(guò)程，直到滿足所需要的分辨率為止。2.柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 柵格數(shù)據(jù)集用一個(gè)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(gè)柵格中所有格網(wǎng)單元值的一個(gè)順序列表是容易的。這意味著每個(gè)柵格數(shù)據(jù)集通常有一個(gè)header record存儲(chǔ)它的地