空间数据库概论

空间数据模型与空间数据库第一章回顾——数据模型第二章GeodataBase空间数据模型第三章GeodataBase的设计和实现第四章空间函数和空间操作第五章空间数据库简介第六章空间数据挖掘教材SpatialDatabaseATour空间数据库作者ShashiShekharSanjayChawla译者谢昆青、马修军机械工业出版社地理信息系统数据库第一章、回顾——数据模型1.传统的空间数据模型2.传统的关系模型3.面向对象的数据模型第一节传统的空间数据模型空间数据模型是指利用特定的数据结构来表达空间对象的空间位置、空间关系和属性信息；是对空间对象的数据描述和对真实世界进行模拟表达。一、空间实体的描述、分类和表达一．空间实体的描述二．空间实体的几何分类三．空间实体在地理信息系统中的表达1、空间实体的描述空间实体是指地理空间中客观存在的具体事物①空间位置：主要指位置信息，也包括位置信息的扩展，如形态及实体的组成（复合对象）等；位置用笛卡尔坐标系中X,Y坐标表示；②空间关系：主要指空间对象的拓扑关系；③非几何属性：表示空间特征的非几何属性；④实体的行为、功能及时态特征：实体的行为，功能特征以及实体属性随时间的变化。如岛屿的侵蚀、水体污染的扩散、建筑的变形等；⑤实体的衍生信息：如一个实体有多个名称。2、空间实体的几何分类1.点(Point)2.线(Line)3.面(Area)4.体(Volume)根据（1）实体本身的特征、（2）所用地图的比例尺（3）项目中使用这类实体空间数据的目的，将地理形象抽象为：Spatialdatamodel二、矢量数据模型一、矢量和矢量数据模型的概念二、矢量数据的编码方法三、矢量数据结构的优点和缺点四、矢量数据表示面类型数据的方法1、矢量数据的编码方法1.坐标序列法2.拓扑结构法(Arc-node数据结构)1）、坐标序列法简单数据结构（也称面条数据结构）将地理实体抽象成点、线或区域，其位置信息用xy坐标表示。这样点表示为单个的xy坐标，线表示为一组有序的xy坐标，而区域表示为一组有序的xy坐标，但其起点的坐标和终点的坐标相同，即区域是闭合的多边形。为了区别不同实体，每个实体都赋予一个唯一的标识符。坐标序列法的缺点1)数据冗余：对于交叉点或相连的线，交叉点要重复输入和存储；对于多边形其公共边也要重复输入和存储，从而产生数据冗余和分析处理不便的问题；2)复杂多边形：不能方便解决多边形中“岛”、“洞”之类的镶套问题，“岛”或“洞”只能作为单个的多边形来构造，没有和周围的多边形建立关系；3)闭合性和重叠性：很难检查多边形的边界正确与否，即多边形的完整性，也很难检查重叠性和空白区；4)拓扑关系：每个多边形自成体系，缺少有关邻域的信息，使拓扑关系，即相邻关系很难跟踪。Shapefile文件格式Shapefile的几何学性质存储在两个文件中：.shp：存储要素几何特征.shx：存储要素几何特征的索引Shapefile的属性信息存储在dBase表中(.dbf)主文件结构(.shp)主文件由一个定长头section和一个变长的记录section组成变长的记录文件由一个定长的记录文件头部和一个变长的记录文件内容组成Fileheader（100字节）Recordheader（8字节）RecordcontentsRecordheader（存储记录数和记录内容的长度）Recordcontents……RecordheaderRecordcontents索引文件结构(.shx)包括100字节的头文件和8字节长的记录FileHeaderRecordRecord……RecorddBase文件的组织(.dbf)包含所有要素的属性和属性关键字是标准的DBF文件格式对字段的任何设置都会在表中体现出来2、拓扑数据结构弧段：弧段是最基本的空间数据单元之一，每个弧段包含两个节点——起节点和终节点，起节点和终节点定义了弧段的方向，从而也定义了该弧段的左右多边形；在节点之间由零个或多个拐点，弧段的长度和形状由节点和拐点的坐标所决定；多边形：多边形由一系列的相互连结的弧段组成，并通过其内部的唯一标识点来标识。标识点的标识码和该多边形属性表中的标识码相一致，由此建立的多边形空间信息和属性信息的关系。节点：节点(Node)定义为弧段的起点、终点或几条线的交点。节点和拐点的差别在于节点具有拓扑特征，用于表示弧段是否相连，而拐点没有拓扑特征，只是表示了弧段的位置和形状属性。Coverage模型的要点第二代地理数据模型——coverage数据模型（也称地理关系数据模型）。关键之处：空间数据与属性数据相结合。空间数据存储在二进制索引文件中，使得显示和访问最优化，使追求高性能的GIS成为可能。属性数据存储在表格中，并且属性和要素使用同一ID连接。用户可以自定义要素表格；不仅可以添加字段并且还可以建立与外部数据表格的关联。矢量要素之间的拓扑关系也被存储。储拓扑关系的存储使得高级的地理分析操作和更精确的数据输入得以实现。拓扑关系图示ArcGIS的矢量数据模型——图层图层在计算机中保存为目录，目录名即图层名图层的组合称作工作空间，但工作空间不是简单的图层目录的组合，其中毕竟包含一个INFO目录，用于对图层进行索引管理和管理相关属性信息。某一图层由若干文件组成，每一文件都包含不同的信息图层及其组成以矢量形式的点、线和面的空间信息和属性特征。一个图层由空间数据和属性数据两部分组成3、ArcGIS拓扑数据结构的扩展分区路径和分段1）、分区ArcGIS用分区表示空间等级关系分区表示同级地理特征与其它特征的重叠分区是多边形的组合分区和弧段的关系保存在分区子集多边形弧段列表文件中RXP，通过RXP定义了那些弧段组成了分区。分区属性保存在子集多边形属性表中，文件名同图层PAT文件，后跟分区名：如cover.PATTRACT。2），拓扑结构的扩展：路径--分段--量测要素类空间数据要素属性表INFO中的图元属性表Pointlab.adfpat.adfcover.PATArcarc.adfaat.adfcover.AATNodearc.adfnat.adfcover.NATPolygonpal.adf,cnt.adf,lab.adf,arc.adfpat.adfcover.PATSectionarc.adfroute.seccover.SECrouteRegionrxp.adf,region.palregion.patcover.PATregionAnnotationanno.txtanno.tatcover.TATannoTictic.adftic.adfcover.TICCoverageextentbnd.adfbnd.adfcover.BND小结Coverage模型的缺点Coverage数据模型有个重大缺陷——要素是以统一的行为聚集的点、线和面的集合。也就是说，表示道路的线的行为和表示溪流的线的行为是一模一样的——显然，这并不是我们所需求的。当还需要支持真实世界对象的特殊行为。比如，溪流沿山坡线向下游并且当两条溪流汇聚时，其流量应是上游两条溪流流量的总和。另外，当两条道路交叉的时候，在它们的连接处就应该有一个交叉路口，除非有另外的一个天桥或地道。这些事情在coverage中是很难完成的。在coverage数据模型中，ArcInfo应用开发者已经取得了一些显著的成果，他们用AML语言编写宏代码来向要素添加某些类型的行为。在coverage中，许多复杂的、大规模的、特定的工业应用得到了成功模拟与创建。然而，随着应用变得复杂，当需要一种更好的关联要素及其行为的数据模型的时候，在coverage的基础上编写再好的代码也无法满足应用的需求。三、栅格数据模型一、栅格数据模型的原理二、栅格单元三、栅格数据模型表示地理现象的方法四、栅格模型的坐标系统五、栅格数据显示六、栅格数据运算七、栅格数据保存1、栅格数据模型的原理栅格数据结构指将分析空间划分成多个规则的网格单元（多为矩形区域,也偶有表示为三角形或六边形的），然后给各个格网单元赋以相应空间对象的属性值，用这多个格网单元组成的规则格网（GRID）来表示地理现象的空间位置和属性特征。2、栅格单元规则的网格单元叫做单元格(Cell)，每个单元格都有一定的尺寸和取值，尺寸对应一定的地理空间范围，取值可能表示不同的地物类别或同一类地物的不同属性；单元格的大小表示栅格数据的分辨率，单元格尺寸越小，分辨率越高。单元格的合理尺寸应有效地逼近空间对象的分布特征，以保证空间数据的精度。显然，凡是用来逼近的空间实体，不论采用的栅格多细，与原来实体比较，信息都会丢失，这是由于采用统一的格网尺寸来表示大小不同的复杂实体所造成的。但是可以根据最小地物的大小来确定栅格的尺寸，假定某个地物的面积为Ai，则栅格的边长为：H=1/2(min{Ai})1/2i=1,2,3….n(区域多边形数)。栅格取值可能表示某一类地物，如房产图；颜色或灰度，如航空相片；某个相对值，如数字地面模型。栅格属性一个栅格像元的值可以是在栅格像元位置处的类别、组别、类型或测量值。栅格像元的值是数值型：整型或浮点型。具有相同值的栅格像元属于相同的zone，zone的栅格像元不一定是相连的。当栅格像元的值是整数时，它可能是很复杂标识系统的一个编码。例如，在一个土地利用栅格上的一个家庭居住处的代码值是4，与这个数值4相关联的可能是一系列的属性等。栅格像元的值和具有这种值的像元数量之间通常是一对多的关系。比如，在表示土地利用的栅格数据中可能有400个像元的值是4（4表示单个家庭的居住地），而有150个像元的值是5（5表示的是商业区）。在栅格像元中，代码值会出现很多次，但在属性表中只出现一次，属性表中存储的是这个代码的其它属性值。这种设计降低了存储量并简化了更新过程。一个属性的单个变化可被应用到几百个具有相同代码值的像元。栅格单元的值栅格单元的值——中心取值和区域取值栅格数据的类型专题数据影像数据1）专题数据栅格数据的每个栅格像元（或象素）的值可以是一个测量值或分类连续数据：这种栅格像元的值可以表示一个测量值如高程、污染物浓度或降雨量。从一个栅格像元到另一个栅格像元的值是逐渐变化的，从整体上说，这些值可以模拟一些类型的表面。空间连续数据的栅格像元值表示的是在栅格像元中心的采样值。离散数据：栅格像元值可以表示分类数据，比如土地的所有权类型，或植被类型。一个栅格像元与另一个栅格像元的值之间可以是一样的，也可以是有显著变化的。空间离散栅格数据像元描述的是整个区域像元的分类特征。连续数据离散数据2）影像数据是根据光在一个或多个电磁光谱波段上的反射率而获得的数据，然而照片数据通常捕捉的是光谱中的红、绿、蓝部分，卫星影像捕捉的是很多波段，可以用于分析表面的地质和植被情况。3、栅格数据表示地理现象的方法1、表示点2、表示线3、表示多边形4、表示连续面表示点点使用离散分布的单个单元格来表示，单元格的值表示某个地理现象的属性，不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。表示线单条线通过一系列有序相连的具有相同值单元格来表示，不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。表示多边形单个面表示为一簇具有相同值的单元格，不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性表示曲面——lattice这时单元格的值并不代表整个单元格范围地理形象的取值，而代表单元格中心点的取值，其它点的值要靠插值得到。在ArcGIS中，Lattice是用规则分布的样本点表示曲面类型地理现象的数据模型，每一样本点表示表示面上该位置的xyz。4、栅格数据模型的坐标系统栅格数据模型的坐标系统：坐标系统由单元格尺寸、行列序号和栅格的原点坐标所决定，坐标轴平行于栅格的行和列；栅格系统的原点：栅格系统的原点通常选为栅格的左上角；栅格系统的原点坐标应与国家基本比例尺公里网的