试论空间数据库的数据处理模式及优越性

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1、试论空间数据库的数据处理模式及优越性摘要： 空间数据库技术已经成为了地理信息尤其是海量地理信息管理的主流技 术，本文围绕空间数据库介绍了其数据特点、 数据结构和空间数据模型的内容及 其优点，结合传统数据模型的特性， 从空间数据模型的角度分析了空间数据库的 数据处理模式以及其优越性。关键词： 空间数据库；空间数据结构；传统数据模型；空间数据模型Abstract ： Spatial database has become the main aspect of the technology to geological data processing and management, especiall

2、y to massive data. This paper focuses on spatial database and describes the characteristics, structure of its data，and the content of spatial data mod el. Combined with the characteristics of traditional data models， analyzes the superiority of the data processing mode based on spatial data model.Ke

3、y words: Spatial database； spatial data structure ；traditional data model； spatial data model空间数据库是某一区域内一定地理要素特征的相关空间数据集合；是地理 信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和， 一 般是以特定结构的文件的形式组织在存储介质上的。 数据模型是描述数据内容和 数据之间联系的工具， 它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。 数据模型是一 组描述数据库的概念。 这些概念精确地描述数据、 数据之间的关系、 数据的语义 和完整性约束。 很多数据模型还包括一个操作集合

4、。 这些操作用来说明对数据库 的存取和更新。 数据模型应满足三方面要求： 一是能真实地模拟现实世界； 二是 容易为人们理解； 三是便于在计算机上实现。 数据库设计的核心问题之一就是设 计一个好的数据模型。1. 传统数据模型以及其优缺点：传统数据模型主要有以下三种： （1）层次数据模型： 层次模型是数据库系统 中最早出现的数据模型， 层次数据库系统采用层次模型作为数据的组织方式， 用 树形结构来表示各类实体以及实体间的联系。如行政机构，家族关系等。 （2）网 络数据模型： 在现实世界中客体的联系更多的是非层次关系的， 用层次模型表示 非树形结构是很不直接的， 网络模型可以克服这一弊病。 在数据库

5、中， 把满足以 下两个条件的基本层次联系集合称为网状模型： 允许一个以上的结点无双亲： 一 个结点可以有多于一个的双亲； 网状模型可以更直接地去描述现实世界， 而层次 模型实际上是网状模型的一个特例。 （ 3）关系数据模型： 用表格数据表示实体与 实体之间联系的模型。基于关系数据模型的数据库系统称关系数据库系统，如 Access、 SQL Server 、FoxPro、 Oracle 等传统数据模型出现的时期比较早， 因此存在着很多不足： 首先，层次数据模 型的缺点是访问限于自上而下的路径， 结构呆板、 不够灵活、要保留大量的索引 文件、一些属性值重复多次利用、数据冗余。其次，网络数据模型的不

6、足之处是 间接的指针使数据库扩大， 在复杂的系统中可能占据数据库的很大部分， 每次数 据库变动，这些指针必须要更新维护，其工作量相当大。再者，关系数据模型也 存在很多不足之处， 主要是为找到满足制定关系要求的数据， 许多操作涉及到对 文件的顺序搜索， 对大型系统而言， 很费时间， 为保证以适宜速度进行搜索的能 力，商用系统一般需要经过十分精心的设计， 因而价格很昂贵。 传统数据库系统 管理的是不连续的、 相关性较小的数字和字符； 而地理信息数据是连续的， 并且 具有很强的相关性。2. 空间数据模型及其各自的优缺点： 空间数据的特点是具有空间性、专题性、时间性、多态性、多尺度性、可靠 性、不确定

7、性、选择性、抽样性、完备性、海量性和自相关性。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。 目前在数据库领域， 空间数据库的数 据模型主要分为：矢量数据模型、栅格数据模型和三角网格数据模型。2.1 矢量数据模型矢量数据模型：用欧几里得（ Euclid ）几何学中的点、线、多边形及其组合 表示地理实体空间位置、形态和分布特征的一种数据组织形式。矢量数据的编码方法主要有三种，分别为：（ 1）坐标序列法，适用于简单 数据结构（也称面条数据结构）。点表示为单个的 by 坐标，线表示为一组有序 的 by 坐标，而区域表示为一组有序的 xy

8、 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。（ 2）层次索引法又称树状索引编码法，采用树状索引以减少数据冗余并 间接增加邻域信息，方法是对所有边界点进行数字化， 将坐标对以顺序方式存储， 由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。 消除了多边形边界的数据冗余和不一致问题， 可直接对复杂边界线简化或合并相 邻多边形而不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对线索引处理得到， 但是繁琐易出错。（ 3）拓扑结构法，拓扑单元主要有节点弧段和多边形。节点 （Node） 定义为弧段的起点、 终点或几条

9、线的交点。 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； 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。矢量数据模型的优点： 矢量数据可以提供更严密的数据结构明确表示地理现 象的位置和形状；存储量较小

10、，精度较高，制图效果好；易于识别特征之间的拓 扑关系，因而对需要拓扑信息的操作更有效；适合于建立几何网络模型 ; 便于进 行某些特殊的地理分析，如基于矢量的网络分析，缓冲区分析。2.2 栅格数据模型栅格数据结构指将分析空间划分成多个规则的、 互相相邻的网格单元 （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。 栅格系统的组成要素： 栅格单元、 栅格取值的数据类型和 栅格数据模型的坐标系统。栅格数据模型的优点： 栅格数据易于地理定位； 数据结构简单， 软件开发容 易

11、； Grid 适于表示连续变化的变量 , 如高程、污染扩散。可以进行一些矢量模 型不能进行的空间分析操作， 能有效表达空间变化； 对于空间建模， 由于其基本 单元的尺寸和形状是一致的，因此单元格之间的空间关系是恒量，且易于跟踪， 适合于空间建模； 叠置运算处理速度快， 易于进行各类空间分析； 大量的数据源 以栅格形式存储， 这些已有的数据源不通过矢量化就可为系统使用， 特别栅格图 象便于做图象的有效增强。2.3 三角网数据模型TIN 是使用彼此相邻而不重叠的三角形组成的三角网，每个三角形顶点的xyz 坐标已知，所以通过在一个三角形表面使用简单的线性插值和多项式插值， 可以估计任何位置的表面值；

12、 TIN 的基本组成是三角形（ Triangles ），而三角 形由节点（NodeS）和边（Edge）。Nodes是由x,y,z定义的坐标和变量值组成， 边 Edges 即指三角形的边。三角形 Triangles 由节点按一定规则相连形成的； TIN 不但由连续点生成，也可包含突变或断线（表示为三角形的边）。三角网数据模型优点： TIN 模型能表示联系变化的地理现象，可表示曲面上 的地理现象的渐变； 具有随坡度变化而不同的点密度， 在坡度变化大的地区点密 度较高，能精确地表示曲面类型地理现象的形状； TIN 模型中一些典型地形如 山脊、山峰等特征被特别存储， 位置和表面值都很精确， 适合进行基

13、于形态的坡 度、坡向、体积计算和视线分析等。3. 空间数据处理模式及其优越性 空间数据的处理主要包括：数据变换、数据重构和数据提取。数据变换：指 数据从一种数学状态到另一种数学状态的转换， 包括几何校正和投影变换等， 解 决空间数据的几何配准问题；数据重构：指数据格式转换，包括结构变换、格式 变换和类型转换等，解决数据的统一问题，实现多元和异构数据的融合和连接； 数据提取：指根据给定的条件提取感兴趣的部分， 包括类型提取、 窗口提取和空 间内插等，解决不同用户对数据的特殊需要问题。空间数据模型主要分为矢量数据模型和栅格数据模型两大类， 所以空间数据 库的数据处理模式也主要是针对矢量数据和栅格数

14、据进行的。 主要有矢量数据和 栅格数据的相互转换以及数据信息的提取。3.1 矢量数据和栅格数据的相互转换矢量数据和栅格数据各有优缺点，在功能完善的GIS软件中，两种格式的数据往往并存， 但为了数据处理和分析的方便， 需要在这两种格式的数据之间进行 相互转换。（ 1）栅格向矢量转换：栅格数据矢量化，即从栅格单元转换到几何 图形的过程 ,包括：表示类别或属性再生栅格的矢量化直接转换和基于栅格数据 结构的扫描图像的矢量化处理（ 2）矢量向栅格转换：将以矢量表示的点、线、多边形直接转换为栅格格式，将以矢量表示的样本点或等值线插值为栅格。3.2 数据信息的提取矢量数据模型以 X,Y 坐标表示地理现象的位

15、置和形状， 侧重于地理实体的空 间和属性特征， 即某个空间实体所具备的空间和属性特征， 矢量数据模型能明确 定义地理现象的边界， 可以明确表示地理现象的位置和形状。 适合于建立几何网 络模型， 便于进行某些特殊的地理分析。 而栅格数据易于地理定位， 能有效表达 空间变化， 易于进行各类空间分析， 可以更好地表示连续变化的地理现象如 降水量的变化；并可进行特定类型的空间分析，如流域模型；污染扩散模型等。3.3 空间数据处理模式的优越性 空间数据库的数据处理模式和传统数据库相比具有很大的优越性：一、传统数据库系统管理的是不连续的、 相关性较小的数字和字符； 而地理 信息数据是连续的，并且具有很强的

16、相关性。二、传统数据库系统管理的实体类型太少， 并且实体之间通常只有简单、 固 定的空间关系； 而地理空间数据的实体类型繁多， 实体类型之间存在着复杂的空 间关系，并且还能产生新的关系（如拓扑关系）。三、空间数据库不仅有地理要素的属性数据 （ 与一般数据库中的数据性质相 似） ，还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种 数据之间具有不可分割的联系。而且数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、 土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。参考文献：1 吴信才主编著地理信息系统原理、方法及应用武汉：中国地质大学 （武汉）， 20002 闫金凤 .GIS 专业“空

17、间数据库”课程教学内容研究与实践 . 测绘工 程.2010.12 第 19卷第 6 期3 张山山 . “空间数据库”课程教学内容研究 J . 测绘与空间地理信 息, 2009（ 6）4 张 春 森 . 植 被 指 数 空 间 数 据 库 的 建 立 及 应 用 . 西 安 科 技 大 学 学 报.2010.11 第 30卷第 6 期5 郭际元、周顺平、刘修国编著 . 空间数据库 . 中国地质大学（武汉） 20006 高翔. 多源数据更新空间数据库的方法研究 .城市勘测 .2009.04.10.047 廖之平 . 从数字化成果到空间数据库的数据转换 . 测绘信息与工程 Journal of Geomatics Feb.2006;31(1)8 李定平.MapGIS下空间数据库的建立及其典型问题研究.武汉大学学报 信息科学版 . 2005 年 11 月第 30 卷第 11 期9 朱楚宏. 空间数据库中的三种查询优化方法 . 理论与实践 .10 田洋，谢国刚数字填图系统中1 : 5万地质图空间数据库建立质量 控制与操作技巧 . 华南地质与矿产 . (2010)04-0077-0611 徐健华. 网格空间数据库调度算法的研究 . 信息科学 .2008