5.3空间数据组织
GIS工程
工作区1
工作区2
…….
工作区m
图幅1
图幅2
…….
图幅n
工作层1
工作层2
…….
工作层p
地物类1
地物类2
…….
地物类q
地物1
地物2
…….
地物r
图 GIS数据的组织管理结构
5.3空间数据组织


在工作层的基础上，如果研究对象过于庞杂（例如所有 地物类），或者需要分类研究，或者为了显示、制图和 查询方便，仍需要对其进行分层，此时进行可以进行逻 辑层（logic layer）的划分。如研究全国道路交通网， 可以需要分别研究铁路、公路（高速公路、等级公路、 等外公路）等，此时，可以在道路层的基础上划分逻辑 层 地物类是类型相同的地物总称。同类地物一般用相同的 显示颜色和绘图符号表示，而且严格按照点状地物类、 线状地物类和面状地物类进行划分。有些软件将点状地 物、线状地物、面状地物分不同的数据文件进行管理， 如ARC/INFO；而MGE、GeoStar则将工作区中的所有地物 （无论点、线、面）用一个文件进行统一管理。
文字数字 空间图形
5.1空间数据库概述
5.2空间数据库管理
5.2空间数据库管理
5.2.1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 多尺度与多态性 分类编码特征 海量数据特征





5.2空间数据库管理
5.2.2矢量数据的管理

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。

5.2空间数据库管理
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 GIS用户界面
在RDBMS中融入空间数据后，
ArcSDE可以提供空间和非空间 数据进行高效率操作的数据库 服务。
ArcSDE采用的是客户/服务器
ArcSDE 原理示意图
体系结构，所以众多用户可以 同时并发访问和操作同一数据。 ArcSDE还提供了应用程序接口， 软件开发人员可将空间数据检 索和分析功能集成到自己的应 用工程中去。
L
M
N
R树结构示意图
结
R （b）层状结构 树
5.4.3 R树和R+树空间索引
C F A D1 B E D2 A B D 1 C E D 2 G F G
属性数据 （定长记录）
GIS界面
空间数据 （变长记录）
关系表
二进制块
DBMS
空间 数据库
5.2空间数据库管理
5.2空间数据库管理
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 没有解决对象嵌套问题，用户不能根据GIS要求进行空间对象的 再定义，因而不能将计的拓扑结构进行存储 GIS软件：TIGER，Geo++、Geo Tropics等
高级语言
数据库开发语言
ID 几 何 数 据 属 性 数 据
图形用户界面 属性用户界面
图形处理 图形 文件库
DBMS 属性 数据库
早 期
图形处理
DBMS
GIS用户界面
高级语言
ODBC协议
数 数 据 据 文 库 件
图形 文件库
属性 数据库
图形处理 图形 文件库
DBMS 属性 数据库
5.2空间数据库管理
5.3空间数据组织
5.3.3属性数据组织 属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文件组织 方式也要服从上述工作层、工作区和图库的要求，以便 于图形文件协调工作，共同组成工作区、工作层，并进 行跨图幅操作。 属性数据组织的三种方式 ⑴ 与工作层对应的组织方式 Arc/Info ⑵ 与地物类对应的组织方式 MGE ⑶ 混合方式 GeoStar
D
查询窗口
B
C
A E F
图
基于实体范围的空间数据检索
5.4空间索引----5.4.2四叉树空间索引
基本思想：将研究区域用横竖线条划分大小相 等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空 间实体。当用户进行空间查询时，首先计算出 用户查询对象所在格网，然后再在该网格中快 速查询所选空间实体，这样一来就大大地加速 了空间索引的查询速度。
5.4空间索引

经对研究区空间数据输入并建立空间数据库以后，得到了一个庞大的数 据库，如何从该数据库中快速检索、提取所需的空间数据来满足空间分 析、模拟与决策的需要是一个重要的问题。 空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间 关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息， 如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。 空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与 特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。 空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系统的整体性能， 它是空间数据库和地理信息系统的一项关键技术。 常见的空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构空间索 引，比较有代表性的包括BSP树、K-D-B树、R树、R+树和CELL树等以及格 网索引
5.3空间数据组织
工作区 工 作 层
水系
居民地
道路
地表高程
……
铁路
公路 逻 辑 层
高速公路
等级公路
等外公路
图5.12 工作区、工作层、逻辑层示意图
5.3空间数据组织
5.3.2空间数据库的图库管理




当GIS所管理的区域和所要求的比例尺都比较大时，如在城市规划管理信 息系统中，数据库会包含大量的图幅，涉及多个工作区及很多工作层的 数据组织和管理，这时一个GIS系统会包含几百、几千，甚至上万个工作 区。 GIS软件必须让用户能在整个区域内进行众多图幅（分区）、工作层的调 用，图幅拼接和跨图幅的剪切、开窗，跨图幅工作层的漫游、查询、分 析和制图等。这就涉及到图库的管理。 在无缝大地图的方式下，图库管理职能通过有效的分幅（分区）、分层 的空间索引，以满足用户对具体的局部区域和专题层的操作、检索的需 要。 图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型GIS软件的必备功能，其管 理效率是衡量GIS软件优劣的重要指标之一。为了提高海量空间数据的管 理效率，GIS必须建立强有力的空间索引和查询机制。
第5章 空间数据组织与管理
地科院 空间系
第5章 空间数据组织与管理
5.1空间数据库概述
5.2空间数据库管理
5.3空间数据组织
5.4空间索引
5.5空间数据库查询语言
5.1空间数据库概述

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



数据库管理的阶段： 人工管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段 数据模型 层次模型 网络模型 关系模型 面向对象模型
5.1空间数据库概述

数据的组织方式 数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、 记录、文件和数据库。



数据项:是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本 项、字段等。 记录: 由若干相关联的数据项组成。 文件:文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的 集合。 数据库:是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定 联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多 种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集 合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。



ArcSDE，即数据通路，是
空 间 数 据 库 引 擎
ArcGIS的空间数据引擎，它是 在关系数据库管理系统（RDBMS） 中存储和管理多用户空间数据 库的通路。
从空间数据管理的角度看，
ArcSDE是一个连续的空间数据 模型，借助这一空间数据模型， 可以实现用RDBMS管理空间数据 库。
GIS界面 空间数据处理 DBMS 扩充实体类型 （点、线、面、圆等）
空间 数据库
5.2空间数据库管理
栅格数据的管理：
1、文件管理方式 2、文件—数据库管理方式 3、关系数据库管理方式
5.2空间数据库管理
5.2空间数据库管理
实施这种方式管理影像数据时，影像数据仍按照文件方式组织管理；在关系数据 库中，每个文件都有唯一的标识号（ID）对应影像信息，如文件名称、存储路径 等。 这种方式管理影像数据，不是真正的数据库管理方式，影像数据并没有放入数据 库中，数据库管理的只是其索引。由于影像数据索引的存在，使影像数据的检索 效率得到提高。
5
7
E 13
G 15
图 用线性四叉树组织的空间索引
在四叉树索引 中，大区域空 间实体更靠近 树的根部，小 实体位于叶端， 以不同的分辨 率来描述不同 实体的可检索 性。
5.4.3 R树和R+树空间索引
A D F G E I H J L C B K
M N
（a）二层不重叠矩形
A B C
D
E
F
G
H
I
J
K
5.2空间数据库管理

空间数据引擎主要是为解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序 之间的数据接口问题。这是SDE的实质 目前空间数据库引擎主要有两种主要方式 1、以ESRI与数据库开发商联合开发的空间引擎SDE为代表，可称之为 “中间件”方式的空间数据库引擎。 2、另一种空间数据引擎由数据库厂商开发。这些厂商凭借其在数据库核 心技术上的优势，在关系数据库管理系统本身作出扩展，使之支持空间 数据管理。如Oracle公司的Spatial即是支持空间数据管理的专用模块，这 种方式可成为“嵌入式”空间数据库引擎。 比较成熟的有GIS厂商ESRI公司的ArcSDE，MapInfo公司的SpatialWare， 数据库厂商Oracle公司的Spatial，Informix公司的Spatial Data B1ade等产 品和技术。