空间数据组织与管理
空间数据组织与管理课件
空间查询
② 找出中心线长度超过“主街”的所有路段 SELECT RS1，name FROM Road_Segments RS1 WHERE ST_Length(RS1.Centerline)>
ANY(SELECT ST_Length(RS2.Centerline) FROM Road_Segments RS2 WHERE <>'主街')
子结点中矩形的最小外包矩形； ⑤ 若根结点不是叶结点，则至少包含2个子结点； ⑥ 所有的叶结点出现在同一层中； ⑦ 所有MBR的边与一个全局坐标系的坐标轴平行；
R树索引
优点 ① 采用空间聚类的方法对数据进行分区，提高了空间分区节点的利用效率； ② R树作为一棵平衡树，也降低了树的深度，提高了R树的检索效率； 缺点 ① 由于R树非叶结点的MBR允许重叠，这样会导致同一空间查询出现多条查
空间填充曲线
Hilbert曲线
2
Z曲线
1
空间填充曲线（space-filling curve）是一种降低空间维度的方法。它是一条 连续曲线，自身没有任何交叉，可以通过访问所有网络单元来填充包含均匀 网络的四边形。常用的空间填充曲Z曲线、Hilbert曲线。
空间填充曲线是一种重要的近似表示方法，将数据空间划分成大小相同的网 格，再根据一定的方法将这些网格编码，每个格指定一个唯一的编码，并在 一定程度上保持空间邻近性，即相邻的网格的标号也相邻，一个空间对象由 一组网格组成。这样可以将多维的空间数据降维表示到一维空间当中。
空间查询
Байду номын сангаас目录
01
定义
空间几何查询
02
空间定位查询
03
空间关系查询
04
空间数据组织与管理概述
Clay
Plain
A1
Loam
Plain
A2
Sandy
Hill
A3
User_ID
Terrain
Slope
233
Plain
0
234
Plain
3
235
Hill
25
关系数据结构
面向对象的数据库模型： 把面向对象的方法和数据库技术结合起来可以使数据库系统的分析、设计最大程度地与人们对客观世界的认识相一致。 面向对象数据库系统是为了满足新的数据库应用需要而产生的新一代数据库系统。
1
空间数据组织与管理概述
第八章 空间数据组织与
管理
第一节 空间数据管理的特点
第二节 空间数据库管理技术的发展
第三节 空间数据的组织
第四节 空间索引
第一节 空间数据管理的特点
为什么空间数据需要管理？
空间数据特征
这些特征都决定了需要行之有效的方法去管理空间数据
1. 空间特体
7
B
55
C
54
C
60
C
26
A
48
A
15
A
…
…
实体
Peano码
A
26,48,50,15,37,39,14
B
7
C
55,54,60
…
…
B
A
C
四叉树索引
是指建立四叉树索引时,根据所有空间对象覆盖的范围，进行四叉树分割，使每一个子块中仅包含单个实体，然后根据包含每个实体的子块层数或者子块大小建立相应的索引表。
采用M：N连接关系描述的数据库存储方式。由于其空间关系复杂，因此，在GIS中并没有广泛应用。
第三章2-空间数据结构与管理
(X,Y) Polygon (X5,Y5) (X4,Y4)
(X2,Y2)
(X3,Y3)
3、矢量数据获取途径
1) 由外业测量获得 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。 2) 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。
4、Hale Waihona Puke 量数据编码⑪点实体数据编码
对于点实体矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码。
⑫线实体矢量数据编码
唯一标识码是系统排列序号； 线标识码可以标识线的类型； 起始点和终止点号可直接用坐标表示；
显示信息是显示时的文本或符号等； 与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中， 也可单独存储，而由标识码联接查找。
四叉树编码优点
容易而有效地计算多边形的数量特征； 阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级 多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率 低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量； 栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容 易； 多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
2、栅格数据取值方法
⑪中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心 点对应的面域属性值来确定。 ⑫长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线 （水平或垂直）的大部分长度所对应的面域 的属性值来确定。 ⑬面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格 单元中占据最大面积的属性值来确定。 ⑭重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程 度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅 格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域 尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留 的原则。
GIS的数据组织与管理
GIS的数据组织与管理GIS空间数据有多种来源，不同的数据源其输入方法不同。
不论采用什么方法输入数据都会有一些问题，如输入过程中意外的错误，输入数据与使用格式不一致，各种来源数据的比例尺、投影不统一，图幅间不匹配等。
因此，必须对空间数据进行处理的管理，才能得到纯净统一的数据文件，使存储空间数据符合规范、标准，满足使用和分析的需要。
一、空间数据的输入与编辑1．图形数据的输入图形数据的输入过程实际上是图形数字化处理过程。
对于不同来源的空间数据，很难找到一种统一而简单的输入方法，只能从几种普通适合的方法中选用。
（1）手工键盘输入①手工键盘输入矢量数据手工键盘输入矢量图形数据，就是把点、线、面实体的地理位置（坐标），通过键盘输入到数据文件或程序中去。
实体坐标可从地图上的坐标网或其他覆盖的透明网格上量取。
②手工键盘输入栅格数据栅格数据是以一系列像元表示点、线、面实体。
这种数据的手工输入过程是：首先选择适当的像元大小和形状（一般为正方形网格）并绘制透明网格；然后确定地物的分类标准，划分并确定每一类别的编码；最后将透明格网覆盖在待输入图件上，依格网的行、列顺序用键盘输入每个像元的属性值即各类别的编码值。
手工键盘输入方法简单，不用任何特殊设备，但输入效率低，需要做十分繁琐的坐标取点或编码工作。
这种方法在缺少资金或输入图形要素不复杂时可以使用。
（2）手扶跟踪数字化仪输入这是目前常用的图形数据输入方式。
把待数据字化的资料——地图、航片等固定在图形输入板上，用鼠标输入至少4个控制点的坐标和图幅范围，随后即可输入图幅内各点、曲线的坐标。
（3）自动扫描输入自动扫描输入方式输入速度快，不受人为因素的影响，操作简单。
缺点是硬件设备昂贵，图形识别技术尚不完全成熟。
这种方法是图形自动输入的发展方向。
（4）解析测图仪法空间数据输入解析测图仪利用航空或航天影像像对，建立空间立体模型，直接测得地面三维坐标（X,Y,Z），并输入计算机，形成空间数据库。
空间数据管理实习报告
一、实习背景与目的随着地理信息技术的飞速发展，空间数据管理在各个领域都发挥着越来越重要的作用。
为了更好地掌握空间数据管理的基本原理和方法，提高自身的实践能力，我参加了本次空间数据管理实习。
通过实习，旨在提高我对空间数据组织、存储、处理和分析等方面的理解和应用能力。
二、实习内容与过程本次实习主要分为以下几个部分：1. 空间数据组织与管理实习- ArcGIS基本知识：首先，我们学习了ArcGIS的体系结构，了解了ArcGIS的基本操作，包括打开（新建）地图、数据加载、数据显示与地图布局以及数据输出等。
- 空间数据的表达：通过实习，我们初步熟悉了空间数据的矢量和栅格表达。
具体操作包括将矢量数据（点、线、面）和栅格数据按不同分辨率转换，以及将栅格数据按缺损值转换成矢量数据。
- ArcGIS中数据的表示：学习了ArcGIS的数据文件类型，包括矢量数据文件（shapefile、coverage）和栅格数据文件（grid、tif、jpg），并了解了在ArcGIS中查看空间数据和属性表的方法。
- 栅格像元的不同编码方法及误差比较：对土地利用数据按主要类型法进行栅格编码，通过Arctoolbox中的polygon to grid工具对话框进行栅格转换，并比较不同分辨率下的栅格数据误差。
2. 空间数据库实习- 空间数据库准备操作：熟悉Oracle数据库的基本操作，回顾空间数据库的相关知识，并完成II号宗地的建库和查询操作。
- 空间数据库建库：使用SQL语句创建用户和管理数据库权限，为用户授权，增加数据列等。
- 空间数据库查询：编写SQL语句，查询II号宗地中所有点的信息，并按点号排序。
三、实习收获与体会1. 提高了空间数据管理能力：通过实习，我掌握了空间数据的组织、存储、处理和分析等方面的基本原理和方法，提高了自身的空间数据管理能力。
2. 熟悉了ArcGIS和Oracle数据库：通过实习，我对ArcGIS和Oracle数据库的基本操作有了深入的了解，为今后在实际工作中应用这些软件奠定了基础。
ArcGIS空间数据组织和管理方法及个人感想
ArcGIS空间数据组织和管理⽅法及个⼈感想题⽬：ArcGIS空间数据组织和管理⽅法及个⼈感想姓名：学号：专业：随着地理信息产业的不断壮⼤，地理信息的模式也发⽣了根本的改变，传统的纸质地图到如今的电⼦地图，未来地理信息将⾯向服务，⾛向共享与职能，整合计算资源、⽹络资源、存储资源在内的各种资源通过云计算连接在⼀起来进⾏服务。
也正是出于让我们更快更好地了解GIS和相关产品的⽬的，⽼师布置了本次作业，⽽我经过查阅资料决定深⼊了解ArcGIS这⼀产品。
ESRI公司作为全球GIS业界的开拓者和引领者，主导着GIS技术的发展前沿。
⽽ArcGIS系列软件是ESRI公司集近40年GIS咨询和研发经验开发的GIS平台产品家族。
建⽴在⼯业标准之上的ArcGIS，既有强⼤的功能，⼜具有良好的易⽤性。
但是对于像我这样的初学者来说，ArcGIS犹如⼀本厚重的教科书，内容虽然详实，翻看起来还是有些吃⼒的。
因此，我选择了4个应⽤基础框架即桌⾯软件（Desktop）、服务器（Server）GIS、嵌⼊式（Embedded）GIS 和移动（Mobile）GIS中的Server GIS进⾏学习，因为Server GIS正是搭建在应⽤服务器、⽹络服务器和⽤户之间的桥梁，学习Server GIS能够确切地把握ArcGIS空间数据组织和管理的基本情况和特殊之处，能够以⼩见⼤、以点盖⾯地去了解整款ArcGIS软件。
⼀、ArcGIS Server初步了解ArcGIS Server是⼀个基于Web的企业级GIS解决⽅案。
⽤户可以使⽤ArcGIS Server在企业内部⽹或整个互联⽹范围内共享GIS资源，也可以把地图或者其他的地理信息资源⽆缝地集成到普通的⽹站页⾯中。
⽽ArcGIS Server特别之处就在于其将两项功能强⼤的技术——GIS技术和Web技术结合在⼀起，协同合作，综合发挥GIS的空间查询、定位、分析和处理特点，以及⽹络技术的全球互连、信息共享的特点。
J05 空间数据组织与管理
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。
空间索引一般采用自顶向下、逐级划分空间的各种数据
结构。
5.4 空间索引
对 象 范 围 索 引
D
B C 查询窗口
A E F
图5.13 基于实体范围的空间数据检索
5.4 空间索引
格网索引
21 20 17 16 5 4 1 0 23 22 19 18 7 29 28 25 24 13 12 9 8 31 30 27 26 15 14 11 10 53 52 49 48 37 36 33 32 55 54 51 50 39 38 35 34 61 60 57 56 45 44 41 63 62 59 58 47 46 43 42
5.4 空间索引
D
B C 查询窗口
A E F
基于实体范围的空间数据检索
5.4 空间索引
空间索引：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，其中包含有空间对象的概要信息。
空间索引介于空间操作算法和空间对象之间。 空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息
图形用户界面
属性用户界面
图形处理系统
DBMS
图形处理
DBMS 图形文件库 属性数据库
图形文件库
属性数据库 图5.5 图形和属性结合的混合处理模式
图5.4 图形数据和属性数据的连接方式
5.2 空间数据管理
文件-关系数据库管理的缺点：
1. 属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询 运算，模型操作运算速度慢； 2. 数据发布和共享困难；
影像数据003
影像数据004
影像数据005
空间数据组织与管理概述
空间数据组织与管理概述1. 引言空间数据指的是地理位置信息与属性信息结合的数据。
在现代化社会中，空间数据的组织与管理对于各种领域的决策和规划至关重要。
空间数据组织与管理的目的是有效地存储、查询、分析和可视化空间数据，以支持地理信息系统（Geographic Information System, GIS）的应用。
2. 空间数据组织在进行空间数据组织之前，我们首先需要了解空间数据的特征。
空间数据通常由几何数据与属性数据组成。
几何数据描述了地理实体的位置、形状和大小，而属性数据描述了与地理实体相关的数量、品质和状态等信息。
2.1 点、线和面几何数据的基本形式包括点、线和面。
点表示一个具体的地理位置，线表示连接两个或多个点的路径，面表示一个封闭的区域。
通过将这些基本形式组合，可以描述复杂的地理现象。
2.2 地理参照系地理参照系是空间数据组织的基础。
它定义了空间数据的坐标系统和地理投影方式，以确保不同数据源之间的一致性和对齐性。
2.3 空间索引为了提高空间数据的查询效率，通常需要使用空间索引来组织和管理数据。
空间索引是一种数据结构，能够快速定位空间数据的位置。
常用的空间索引包括网格索引、四叉树和R树等。
3. 空间数据管理空间数据管理是指对空间数据进行存储、查询、更新和删除等操作的过程。
在空间数据管理中，需要考虑数据的完整性、一致性和安全性。
3.1 数据存储空间数据存储可以采用关系型数据库、文件系统或分布式存储等方式。
关系型数据库通常使用空间扩展模块来支持空间数据的存储和查询。
文件系统可以直接存储空间数据的文件，而分布式存储则将数据分布在多个计算节点上，以提高数据的可扩展性和容错性。
3.2 数据查询空间数据查询是通过查询语言（如SQL）来获取满足特定条件的空间数据。
查询语言通常包括空间操作符（如相交、包含等）和空间函数（如计算距离、面积等）来处理空间数据。
3.3 数据更新和删除空间数据的更新和删除需要考虑数据完整性和一致性。
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•G •G•G•G•A•G•G•A•A•G•A•A•A
空间数据组织与管理
栅格数据结构：数据分层
•建筑物 •Z
•森林 •土壤 •地貌
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•Y •X
空间数据组织与管理
栅格数据结构：数据组织
•栅格数据文件 •像元1 •X坐标
•Y坐标 •层1属性值 •层2属性值
•… •层n属性值 •像元2
的关系
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空间数据组织与管理
•几何偏差
•c
•c
•ac距离: 7/4 (5)
•5
•面积: 7
(6)
•3
•a
•4
•b
•a
•b
•属性偏差
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空间数据组织与管理
矢 量 栅 格 数 据 较 比
•矢量数据
•栅格数据
•优点：
•优点：
•表示地理数据的精度较高 •严密的数据结构，数据量小 •完整的描述空间关系 •图形输出精确美观
系 System：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
续 拓扑关系
）
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：物理实现
量
数 § 串行指针
据
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
结
室）
构 （
TIGER（美国人口调查局）
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
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空间数据组织与管理
传统数据库与空间数据库的比较
数据连续性/相关性 实体类型/空间关系
记录长度 查询与操作
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传统数据库
系
•GIS用户界面
数
据
•ID
库 •几 •属
混 •何 •性
•图形用户界面 •属性用户界面
合 管
•数 •数 •据 •据 •早
•期
•图形处理
•DBMS
•图形 •文件库
•属性 •数据库
•GIS用户界面
理 方 案
•数 •据 •文 •件
•数 •据 •库
•图形 •文件库
•地图输出不美观
•难以建立网络连接关系
•技术复杂，特别是软硬件
•投影变换比较费时
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空间数据组织与管理
数 要素还是位置？ 据 可获取的数据 结 定位要素的必要精度 构 需要什么类型的要素 选 需要什么类型的拓扑关联 择 所需空间分析类型
原 生产地图类型 则
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空间数据组织与管理
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
•属性 •数据库
•高级语言 •图形处理
•ODBC协议
•DBMS
•图形 •文件库
•属性 •数据库
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空间数据组织与管理
全 关 系 式 数 据 库 管 理 方 案
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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
空间数据组织与管理
•
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
•数据库
•独立编码
•标识码 •属性码 •存储方法
•点位字典
•空间对象编码 •唯一 •连接几何和属性数据
•点: ( x ,y ) •线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) •面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
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 输出图形质量号，精度高
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空间数据组织与管理
•
栅 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
格 数 据 结
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。
不连续 相关性小
少 简单固定 结构化
等长
文字、数字
空间数据库
连续 较强空间相关性
多 复杂且不固定
非结构化 不等长 文字数字 空间图形
空间数据组织与管理
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。
矢量数据表达考虑内容
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）
矢量数据表达
简单数据结构 拓扑数据结构 属性数据组织
空间数据组织与管理
•
矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
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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。
§ 直接存储
Arc/Info、GeoStar
续
）
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：拓扑关系与数据共享 量 维护数据的一致性 数 据 结 构 （ 续 ）
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空间数据组织与管理
•
矢 拓扑结构：是否需要拓扑结构?
量
数 应用目的
据 结 构
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
•N1 •N2 •N3 •N4 •N5
（
•A4 •A7 •A8
•面-弧拓扑 •面
•弧段
续
•N4
）
•弧-点拓扑 •弧 •点-弧拓扑 •点 •弧-面拓扑 •弧
•起点 •弧段 •左面
•终点 •右面
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空间数据组织与管理
•
矢
量 拓扑结构：部分显式表达
数
据
用上述部分表格表示空间目标的拓扑关
结 构
•数据结构: 行号, 属性, 重复次数 •1, A, 4, R, 1, A, 4
•8 •R •A •A •A •A •A •A •A
•块状编码 •四叉树编码
•NW •NE •SW •SE
•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),…
空间数据组织与管理
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2020/11/24
空间数据组织与管理
•
理空 间 数 据 组 织 与 管
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空间数据结构
矢量数据结构 栅格数据结构
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
层次数据模型 网络数据模型 关系数据模型
现行空间数据库管理方案
混合数据管理模式 扩展数据管理模式 统一数据管理模式
•…
•栅格数据文件
•层1 •像元1 •X,Y,属性值
•像元2 •X,Y,属性值
•…
•…
•像元n •X,Y,属性值
•层2
•…
•像元n
•层n
•栅格数据文件 •层1 •多边形1 •属性值
•像元1坐标 •…
•像元n坐标 •多边形N
•层2
•…
•层n
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空间数据组织与管理
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,易于遥感数据结合,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
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
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空间数据组织与管理
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
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
续
）
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空间数据组织与管理
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
•面 •线
•点
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空间数据组织与管理
栅格数据结构：坐标系与描述参数
•格网方向
•格网分辨率
•西南角格网坐 标
•（XWS，YWS）
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•X：行
•Y：列
空间数据组织与管理
栅格数据结构：单元值确定
•C
•A
•B
•重 •要 •性
•面 •积 •占 •优
•A
•连续分布地理要素
•C
•具有特殊意义 •的较小地物
•点: 点号文件 •线: 点号串 •面: 点号串