4 矢量地图数据库.ppt

教学内容 1.地图数据模型总论，包括地图数据的基本组成、图形数据的构模、专题属性数据构模以及图形数据与专题属性数据的连接 2.矢量数据模型，包括地理实体向数据处理目标的转化、实体信息的数据化、实体间关系的逻辑实现第二章 矢量地图数据库,2.1 地图数据模型总论,地图数据是一个基于空间参考的数据，它以定点、定线或定面的方式与地球表面建立位置关系图像数据如遥感数据；图形数据如普通地图、专题地图等；地理统计数据以及环境监测数据等，均是地图数据的重要代表 本节结构是： （1） 地图数据的基本组成 （2） GIS中图形数据的特征 （3） 矢量图形数据构模 （4） 图形数据与专题属性数据的连接,2.1.1 地图数据的基本组成,地图数据包括三个主要信息范畴： 1. 空间数据 （1）空间定位—能确定在什么地方有什么事物或发生什么事情； （2）空间量度—能计算诸如物体的长度、面积、物体之间的距离和相对方位等； （3）空间结构—能获得物体之间的相互关系； （4）空间聚合—空间数据与各种专题信息相结合，实现多介质的图、数和文字信息的集成处理，为应用部门、区域规划和决策部门提供综合性的依据2. 非空间数据 非空间数据(又叫非图形数据)主要包括： (1)专题属性数据-对地理物体进行语义定义，表明该物体是什么； (2)质量描述数据-包含一些补充性的质量、数量、等级等描述信息。

3、时间因素 地理要素的空间与规律是地理信息系统的中心研究内容，但是空间和时间是客观事物存在的形式，两者之间是互相联系，而不能分割的因此，往往要分析地理要素的时序变化，阐明地理现象的过程和规律时间因素为地理信息增加了动态性质，地理信息的这种动态变化特征，一方面要求信息及时获取并定期更新，另一方面要重视自然历史过程的积累和对未来的预测和预报，以免使用过时的信息导致决策的失误，或者缺乏可靠的动态数据而不能对变化中的地理事件或现象作出合乎逻辑的预测预报和科学论证2.1.2 GIS中图形数据的特征,（1）空间特征： 空间特征包括空间位置（坐标）和空间分布，这就要求GIS除了必须具备通用数据库管理系统或文件系统的关键字索引和辅助关键字索引之外，还需建立空间索引机制 （2）非结构化特征： 弧段点记录是不确定的； 多边形记录可能是多条弧段的嵌套 这种变长记录和不定结构的要求，是一般关系数据库所不能满足的3）空间关系特征： 空间数据除了要描述地理实体的空间坐标和空间分布之外，还要描述地理实体之间的空间关系以及实体组成元素之间的拓扑关系（如点与线、线与面等） 这给空间数据的一致性和完整性维护增加了困难。

（4）分类编码特征： 为了惟一识别地理实体和共享空间数据，每一个地理实体均分配一个分类编码 这种编码可能是按国家标准、行业标准或地区标准进行的，也可能是全球性的 通过分类编码将空间数据和属性数据关联起来5）多尺度特征： 由于空间认识水平、认知精度和比例尺等不同，地理实体的表现形式也不相同 这就要求空间数据库具备有效的多尺度空间数据组织与管理功能，这也是一般关系型数据库所不具备的 （6）海量性特征： 由于地理区域的广大性、地理数据的多源性以及空间数据分辨率的不断提高，GIS中的数据量往往要比一般事务性信息系统的数据量大得多 例如，一个城市GIS数据量可能达几十个GB，若考虑影像数据的存储，则可能超过几百个GB 因为数据量巨大，需要在二维空间上划分为块和图幅、在垂直方向上划分为层来进行管理2.1.3 矢量图形数据构模,矢量图形数据模型 矢量数据模型+面片数据模型 2. 专题属性数据模型 在层次、网状和关系模型中，最常用于地理信息系统的专题属性数据模型是关系模型关系模型的优点在于它简单（所有数据均用简单表格存贮）、灵活（表格可以灵活的联结）、存贮效率高（通过认真设计表格，排除数据冗余）以及它的非过程化性质（对关系数据库的查询无需顾及数据的内部组织）。

1. 图形数据与专题属性数据分别管理 这种方式没有集中控制的数据库管理系统，它有两种管理形式： （1）属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的，大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长，但其主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行 （2）用单向指针指向属性数据，此方法的优点在于属性数据多少不受限制，且对图形数据没有什么坏影响缺点是仅有从图形到属性的单向指针，因此，互相参照非常麻烦2.1.4 图形数据与专题属性数据的连接,,,2. 对通用DBMS扩展以增加空间数据的管理能力 这种方式使空间数据和属性数据在同一个DBMS管理之下，这不仅使空间和属性数据之间的联系比较密切，还便于利用某些DBMS产品的现成功能（如：多用户的控制，客户机/服务器的运行模式等）；但为了使空间数据适应关系模型，须牺牲软件运行的效率3. 属性数据与图形数据具有统一的结构 此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求4. 图形数据与属性数据自成体系 此方案为图形数据和属性数据彼此独立地实现系统优化提供了充分的可能性，以进一步适合于不同部门的数据处理方法。

这里属性数据有其专用的数据库系统，许多情况下是用于事务管理的商业数据库，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能2.2 矢量数据模型,本节结构是： （1） 地理实体的目标化； （2） 实体信息的数据化； （3）空间关联关系的类型； （4） 实体关系的逻辑实现；,2.2.1 地理实体向数据处理目标的转化,地理实体是指含义完整的物体，而地图数据库中所处理的独立逻辑单元是目标（edge≈object）目标的特点是在整个线段范围内只能有同一类属性，不允许其中一段具有属性A，另一段具有属性C等 (Flash2.2.1),,在图2-2-1中一条道路划分成三个目标：AB、CD两段的特征码均为道路，BC段有“道路“和“境界“两个特征码 采用边（或目标）作为地图数据结构的基本单元的优点： 1.将多种对象（要素）的地理实体抽象概括为一类对象一边，可使数据记录具有统一的逻辑结构，便于存贮管理； 2. 这种基于图论的抽象表示，能较好地体现地理分布的空间联系，易于导出多种关系信息； 3. 能减少冗余存贮，属于同一条边（几何位置重合）但具有多种属性的要素只须存贮一次2.2.2 实体信息的数据化,有关地理实体的各种信息内容，可表示为描述实体记录数据项的集合，这样便形成一种信息框架，表示实体信息的逻辑构成。

如一个地理实体的信息结构可表示为图中的两种形式之一Flash2.2.2) 其中包括： 图形信息 用来描述实体的图形特征； 专题属性信息 表明该物体属于哪一类物体，并且可根据其它特征进一步细分，还可包括其质量、数量强度等属民生信息；,,空间信息 关系信息 描述该目标与其他物体的联系 地理实体的信息框架：,2.2.3 空间关联关系的类型,2.2.4 实体间关系的逻辑实现,实体间主要有三类关系： 1、定性关系的建立 定性关系的建立就是按照物体的分类标志来组织数据文件，可通过两种模型来组织数据文件 （1）层次模型： 通过要素分类/分级编码表来实现，对编码值域作规则的划分来形成多组层次树结构，主要用来反映物体之间的类别与等级的归属关系 （2）网状模型： 由于不同类型记录之间有时会发生共位现象，这就导致一个目标会同时具有多重分类属性，从而在数据结构上分属多个数据文件，形成一种网状数据模型下图为定性关系中的网状模型：,,2、定位关系的建立 定位关系是物体间的空间关系之一，是一种面向位置的数据结构，它用近似的方法表示物体间的接近度建立定位关系的目的是为地图数据库系统配备定位（开窗）检索的功能 （1）栅格索引 (Flash2.2.3.1) 在建立地图数据库时需要用一个平行于坐标轴的正方形数字网络覆盖在整个数据库数值空间上，建另一个例排文件一栅格索引。

每一个网格在栅格索引中有一个索引条目（记录），在这个记录中登记所有位于或穿过该网格的物体的关键字，可用变长指针或位图法实现2）目标整体性特征中的范围信息 虽然用栅格索引的方式能比较有效地表示各目标的空间位置关系，如果一个地图中，目标数量很多，则栅格索引文件将会很大，且其表示的范围也会对目标个数有所限制 目标整体性特征中的范围信息指的是目标所跨的一个矩形区域设计数据结构时，可将目标整体性特征信息设计成等长记录形式，且在打开数据库文件时，可先将目标整体性特征信息放入内存当需要进行开窗检索时，系统可首先依次判断各目标的范围信息，这样会较快地确定要检索的目标3、拓朴关系的建立 在GIS系统中，利用拓朴关系，我们可以建立区域和弧段、结点之间的数据结构；可以对数据库信息进行各种空间分析和拓朴检索，以帮助用户做出正确决策 一般建立拓朴关系有两种方法：手工建立和自动建立，前者是以人机交互操作的方式，用户通过操作输入设备（鼠标器或键盘），在屏幕上依次指出构成一个区域的各个弧段、一个区域包含了另外哪几个区域、组成一条线路的各个线段等；而后者则是利用系统提供的拓朴关系自动建立的功能（一般采用的是弧段跟踪法），,,弧段跟踪法： (Flash2.2.3.2) (1)由原始线段数据建立弧段的邻接关系，同时也确定了弧段与结点的关联关系； (2)按一定规则（顺时针或逆时针）沿弧段跟踪形成闭合环（区域），同时记下每个区域的编号； (3)根据点是否在多边形的判断法则，依次找出区域与区域之间的嵌套关系。

2.3 空间索引,空间索引:根据空间要素的地理位置、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，一般包括空间要素标识，外包络矩形以及指向空间要素的指针这里，外包络矩形是指空间要素的封装边界，它是每一种空间索引必不可少的要素 目的:在GIS系统中快速定位到所选中的空间要素，从而提高空间操作的速度和效率2.3.1 矩形范围索引 2.3.2 单元格网索引 2.3.3 四叉树编码索引,,2.3.1 矩形范围索引,基本原理就是对空间要素的外包络矩形进行索引 在进行空间范围查询时，分为两级过滤（筛选）： 初次过滤根据空间要素外包络矩形来过滤掉大部分不在查询范围的空间要素； 第二级过滤则用查询空间范围直接和初次过滤结果集中空间要素的二进制边界坐标比较，从而得到查询的准确结果2.3.2 单元格网索引,（1）传统单元网格索引编码 在建立地图数据库时需要用一个平行于坐标轴的正方形数学网格覆盖在整个数据库数值空间上，将后者离散化为密集栅格的集合，以建立制图物体之间的空间位置关系 通常是把整个数据库数值空间划分成32×32（或64×64）的正方形网格，建立另一个倒排文件——栅格索引 每一个网格在栅格索引中有一个索引条目(记录)，在这个记录中登记所有位于或穿过该网格的物体的关键字。

变长指针法； 位图法2）改进型单元网格索引编码 改进型单元网格索引将传统型编码由1维升至2维，变成X和Y方向上的编码； 将空间要素的标识、空间要素所在的网格的X和Y方向上的编码、以及空间要素的外包络矩形作为一条数据库记录存储 如果一个空间要素跨越多个网格，则同样存储多条记录2.3.3 四叉树编码索引,在基于固定网格空间划分的四叉树空间索引机制中，二维空间范围被划分为一系列大小相等的棋盘状矩形，即将地理空间的长和宽在X和Y方向上进行2N等分，形成2N×2N的网格，并以此建立N级四叉树 在四叉树中，空间要素标识记录在其外包络矩形所覆盖的每一个叶结点中 但当同一父亲的四个兄弟结点都要记录该空间要素标识时，则只将该空间要素标识记录在该父亲结点上，并按这一规则向上层推进第二章 总结,该章首先介绍了地图数据的基本组成：空间数据、非空间数据和时间因素介绍了图形数据模型和属性数据模型，目前在图形数据模型中用的最多的是拓扑矢量数据模型，而属性数据模型通常。