[GIS教程] 5.3 空间数据组织

在知识传播途中,向涉及到的相关著作权人谨致谢意!

【空间数据管理 与 空间数据组织 区别与联系】先有空间数据管理,后有空间数据组织

将数据按空间数据管理的方式将数据存储起来,存储完了就得到这些东西:图形文件、属性文件、图层、要素记录、图形字段、属性字段

  1. 空间数据管理:解决的是 “存”的问题、索引的问题
  2. 空间数据组织:而存完之后,这些名称、概念、概念之间的关系怎么关注,是什么时候去关注?解决如何有意义的“取”数据

1 空间数据组织的定义

【空间数据组织的定义】在空间数据提取的过程中,用户对空间数据的理解(如项目,工作区域,图幅,图层,数据集等)及这些可理解元素的计算机逻辑表示,就是空间数据组织
【解释】赋予数据一些概念(工程、工作区域、图幅、集合、图层、属性表、要素),让冷冰冰的数据变成了活生生的有机状态,这种状态是人赋予他的
【实质】第一,空间数据组织是这些概念;第二,是这些概念的关系问题(工程与工作区域有没有关系)

2 空间数据组织方法

【空间数据的组织方法】依据于空间数据管理的模式,有几种空间数据管理模式就有几种空间数据的组织方法 –> 有四种空间数据管理的模式,对应四种空间数据组织方法

  1. 文件-关系型空间数据管理模式下的空间数据组织
  2. 全关系型空间数据管理模式下的空间数据组织
  3. 对象-关系型空间数据管理模式下的空间数据组织
  4. 纯对象空间数据管理模式下的空间数据组织

2.1 文件-关系型方法

文件-关系型空间数据管理模式下的空间数据组织

2.1.1 管理的方法

以图幅是核心
【文件-关系型空间数据管理的问题】在操作系统的层面来看,一个文件大小不能太大
【怎么办】分幅,由大变小、化整为零 => 图幅是核心
【现在空间数据库已经可以把数据全部存起来,为什么还要分幅?】为了方便更新,以图幅为单元进行更新、组织、重新入库 –> 图幅目前还是一种很有效的数据组织方法,数据管理手段

文件系统 单个文件最大容量
FAT 2G
FAT32 4G
NTFS 2T
access 20003数据库文件 2GB
SQL Express 2005数据库文件 4GB,企业版不限制大小

2.1.2 引发的问题

由图幅所引发的问题

  1. 图幅的数据组织问题:当将整体变为部分,如何在逻辑上保证部分的意志和统一
    【例子】对百度地图进行不断的放大,实际上每放大一个级别,就是由无数个瓦片(小图片)来组成的,每个小图片在不同的比例尺上会不同的切,实际上就形成类似于金字塔的结构–>这些瓦片都是事先划分好放在后台的,在数据存储分析的时间怎么办?逻辑上怎么保持一致性,怎么保持这种关联?
  2. 图形库的管理问题:当图幅增多的时间,如果实现对图幅的查找和管理
  3. 属性数据的组织问题:当图幅下的所有图层(地物类)合并成一个文件时,带来了“属性数据的组织”问题
    【例子】一条铁路横亘了四个图幅,这条铁路的属性数据不可能存四次

2.1.3 文件-关系型下的空间数据组织

文件-关系型数据管理模式–>实质是图幅管理的形式–>图幅所引发的问题–>使用图幅数据组织来解决

2.1.3.1 图幅数据组织

【解决的问题】如何把多个图幅进行有效的组织起来
【图幅数据的组织方法】GIS工程–>工作区–>图幅–>工作层–>地物类–>地物

  1. GIS工程:将某一个问题或某一项GIS任务称为一个GIS工程
  2. 工作区(workspace):对于大范围的数据,要先进行分幅,而后根据需要往往将一幅或相邻几幅图当做一个工作单元,称为工作区
  3. 图幅:随着工程范围的扩大,必须将空间数据进行分幅管理
  4. 工作层:为空间数据处理的一个工作单元,工作区由若干工作层组成,一个工作层由一种或多种的地物类组成。道路、水系、居民地等可看成工作层,在此基础上构建了工作区
    【工作层、工作区区别】工作层在范围上可能与工作区一致,但在垂直方向上则因软件系统不同而名称和定义不同
    • ArcInfo的工作层称为coverage,一个coerage就是一个工作目录,该目录下包括控制点信息文件、标识点文件、弧段文件、多边形文件等
  5. 逻辑层:在工作层的基础上,如果研究对象过于庞大(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,此时可以进行逻辑层的划分
    【例子】如研究全国道路交通网,可依需要分别研究铁路、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。一个工作层可以是一个逻辑层,也可以是某一个覆盖层
  6. 地物类:类型相同的地物总称

在这里插入图片描述

2.1.3.2 图形库的管理

【问题】图幅的拼接、跨图幅的裁切、漫游、分析,每个图幅放起来怎么管理

  1. 当GIS所管理的区域和所要求的比例尺都比较大时,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
  2. 这时,GIS软件必须让用户能在整个区域内进行众多图幅(分区)、工作层调用,图幅拼接和跨图幅的裁剪、开窗,跨图幅工作层的漫游、查询、分析和制图等

【解决】建立图幅的索引
这就涉及图库的管理,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

【评价】

  1. 图库管理是海量空间数据管理的需要,大型GIS软件必备的功能,管理效率衡量GIS软件优劣的重要指标
  2. 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

2.1.3.2 属性数据组织

  1. 属性数据放表里面
  2. 图形数据放文件里面

【问题】属性怎么组织呢?
属性数据由关系数据库系统管理,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

【方案一】一个地物类对应一张属性表,放在工程的下面,进行集中管理,方便查阅
【优点】不同工作区的相同地物类的属性是放在一起的,便于属性的工程管理,大大提高了工程范围内查找某个属性的速度
【缺点】过于呆板,不利于具有相同属性数据文件的组织,造成冗余

【方案二】一个工作层对应一个属性文件
【缺点】一个工作层对应一个属性文件,如果工作层下再细分成逻辑层,采用这种方面,会对属性信息的检索和更新带来极大不便

【方案三】两种方式混合:更有弹性的方式是既可以设计一个地物类有一个属性表,又可以多个地物类共用一个属性表
[举例] GeoStar的属性数据文件组织与管理方式吸收了前两者的优点

  1. 介绍:在GeoStar中,既可以对每一个地物类设计属性表,也可以对属性项相同或相近的多个地物类设计一个公用的属性表
  2. 应用举例:交通地理信息为例,高速公路、一级公路、二级公路、乡镇公路,它们的地物类型编码可能不同,但它们的属性项可能相同,因而他们可以共有一个属性表,以便查询、现实和最佳路径分析

2.1.4 该组织方法缺陷

  1. 图幅文件数据太多,不便于管理
  2. 图形和属性数据分别组织,导致数据的一致性和完整性难以得到保证
  3. 数据的分布式共享和更新比较困难
  4. 数据安全性较差

2.1.5 举例

coverage文件-关系型下的组织形式
在这里插入图片描述

2.2 全关系型数据管理模型下的数据组织

【代表】ArcGIS的Geodatabase
【做法】用成熟的关系数据库实现图形数据和属性数据的一体化存储和组织

【具体组织的内容】

  1. 图形数据的关系型组织
  2. 属性数据的关系型组织
  3. 空间关系的关系型组织

在这里插入图片描述

【相关概念】

  1. 数据集
  2. 图层
  3. 空间索引
  4. 要素
  5. 记录

3 空间数据组织的内涵

  1. 揭示最基本的GIS原理
    GIS是空间数据和属性数据的综合体,如何对空间数据和属性数据进行组织是基本的GIS原理
  2. 空间数据模型的自然延伸
    空间数据模型的抽象完之后–>如何进行存储即涉及到了空间数据管理的问题–>如何理解操纵和取已存的冷冰冰的数据即是空间数据组织问题
  3. GIS平台软件的精髓体现
    MapInfo,ArcInfo强调的正是空间数据组织,因为空间数据组织的不同而不同
  4. GIS软件操纵空间数据的核心
    各个GIS软件,目录树是最核心的,是理解和操纵空间数据的入口

4 空间数据组织的“变”与“不变”

  1. 空间数据的组织方式 随空间数据管理模式而变
  2. 不变的是空间数据组织的内涵:工程;工作区;图幅;图层;属性表;关系表;数据集;要素类

【拓展】

  1. 国家基础地理信息系统:nfgis.nsdi.gov.cn/

5 总结

5.1 GIS的数据分层

【数据分层】地理空间数据按某种属性特征形成一个数据层的过程称为数据分层

  1. 数据层也称图层是描述某一地理区域的某一(有时也可以是多个)属性特征的数据集
  2. 因此,某一个区域的地理姆博阿可以看成是若干图层的集合

【分层的方法/分层原原则】

  1. 按专题分层:每个图层对应一个专题,包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等
  2. 按时间序列分层:把不同时间或不同时期的数据分别构成各个数据层
  3. 按实体几何类型分层:因数据文件存储和属性管理的需要,因点、线、面实体在数据结构上的差别,GIS软件一般都按点、线、面类型分别存储文件
  4. 按实体属性结构分层:即便是同一类型或同一专题的数据,因属性取值类型或属性项的不同,也需将它们分在不同的图层
  5. 按照垂直分带性分层:在考古和地质勘探应用中,根据位于不同年代或地质层进行分层

【分层考虑的因素】

  1. 【性质相同相近的要素放在同一层】按要素分层,性质相同或相近的要素应放在同一层。依据是国家相关信息分类标准
  2. 【考虑数据与数据之间的关系】哪些数据有公共边,哪些数据之间有隶属关系等,这些因素都将影响层的设置
  3. 【专题信息数据单独一层或放在较少的层中】基础信息数据分层较细,各种专题信息数据一般放在单独的一层或较少的基层中
  4. 【考虑用户视图的多样性】
  5. 【考虑数据与功能的关系】如哪些数据经常在一起使用,哪些功能是起主导作用的功能等
  6. 【更新问题】更新一般以层为单位进行处理,所以应考虑将变更频繁的数据分离出来
  7. 【数据量平衡】分层时应估计数据量的大小,各层数据的数据量最好比较均衡
  8. 【避免冗余】尽量减少冗余数据

5.2 数据库中空间数据是如何进行分幅组织

【分幅组织的必要性】无论采用何种空间数据管理模式,空间数据的组织方式均非常重要

  1. 由于GIS工程通常涉及范围较广,所以必须采用分幅管理,类似于传统地图分幅
  2. 图幅一般对应一块区域,常见的分幅方式有标准分幅和区域分幅

【分幅组织方式】总的来说说,GIS工程中空间数据通常以工作区-图幅-工作层-地物类-地物的方式进行组织的

  1. 根据需要往往将一幅或者相邻几幅图当做一个工作单元,称之为工作区
  2. 工作层被定义为空间数据处理的一个工作单元,工作区由若干个工作层组成
  3. 工作区中,除了包含相应图幅的各层空间数据之外,还应包含对数据库的连接和操作

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THE END
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