2地理空间表达(8)

空间数据管理是以给定的内部数据结构或空间图形实体的数据结构为基础，通过合理的组织管理，力求有效地实现系统的应用需求。假如说内部数据结构是寻求一种描述地理实体的有效的数据表示方法，那么空间数据管理就是根据应用要求建立实体的数据结构和实体之间的关系，并把它们合理的组织起来，以便于应用。显然，数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）应该是解决这一问题的主要途径。但是，由于地理信息系统具有空间信息的特性，而目前通用的DBMS系统（如FoxPro,MS SQL Server,ORACLE等）并不支持空间信息的管理，所以，DBMS系统在GIS中并未得到全面的采用。

通用的DBMS对数据的操作，基本上是对实体属性值的检索或者根据实体之间的关系对属性值的检索。在空间信息的分析应用中，常常要求的是实体之间关系的值，而不是实体的属性值。例如，\找出一组实体中距某个点最近的点\或\找出两个高程值之间的土地面积\。通常，在处理这一类问题时，并不是把所有可能的两两之间的距离或面积都计算好存储起来，因为，用户的询问、查询是多种多样的，无法作出硬性的规定，不可能（也无必要）一一排列组合去计算。显然，这将大大增加存储量。在GIS系统中，一般只存储实体的基本属性（如坐标、名称、参数值等），至于实体间的关系值，只待需要时再通过适当的算法计算。这样，处理方法不仅简单，而且数据量也小。

目前，地理信息系统的数据管理基本上是采用数据文件管理方式。设计者根据应用目的，采取它自己认为最方便、最有效的数据组织和存储管理方法，所以，每个系统各不相同。例如，同样采用矢量数据结构的GIS系统，与之相关的实体属性的编码方法、字节安排、记录格式、数据文件的组织都不一定完全一样。数据组织往往与采用的算法相联系。有些系统把图形实体的几何特征数据和属性特征数据组织在同一记录中（如地理信息检索和分析系统GIRAS）；有的则完全分开（如ARC/INFO的ARC和INFO系统）；有的在同一记录中存在部分属性数据（如Intergraph 公司的Microstation系统）。

通常，数据文件存储在外部存储器上。文件可以按实体的类型来划分，也可以按地区范围来划分。文件之间基本上是独立的，没有交叉关系。

数据文件的管理方式，对某一具体应用来讲，可能是简单方便的，但他有很大的局限性，难以实现资源信息的共享。为了扩大系统的实用性，增强数据的管理能力，目前的通用做法是：利用文件系统来管理几何特征数据，传统的DBMS管理属性特征数据。

2．6．1 数据库的管理

数据库是关于事务及其关系的信息组合。早期的数据库管理是利用文件形式存储，所以，又称为文件处理系统（见图2-38）。文件处理系统是数据库管理最普遍的方法，但是有很多缺点：首先每

图 2-39 共享数据文件的文件处理系统

个应用程序都必须直接访问所使用的数据文件，应用程序完全依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时应用程序也随之修改；另外的问题的数据的共享。由于若干用户或应用程序共享一个数据文件，所以，要修改数据文件必须征得所有用户的认可。由于缺乏集中控制也会带来一系列数据库的安全问题。

由于文件管理系统的缺陷，人们在此基础上发展出了真正的数据库管理系统（DBMS）。DBMS在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。DBMS的最大优点是提供了两者之间的数据独立性，即应用程序访问数据文件时不必知道数据文件的物理存储结构。当数据文件的存储结构改变时，不必改变应用程序（见图2-39）。

数据库方法与文件管理方法相比，具有如下优点：

(1)集中控制：一个数据库在一个人或一个小组的集中管理之下，保证了数据信息的完整性、安全性和数据质量标准的规范性；

图 2-39 在DBMS管理下的数据文件共享

(2)数据可以充分共享：数据库数据可以被不同用户共享使用，对于应用程序产生的新数据，又可充实数据库的内容；

(3)数据的独立性：应用程序与数据的物理存储格式独立；

(4)易扩充新的数据库应用：使用DBMS提供的服务工具，易于提供新的的数据库应用程序和数据库查询；

(5)用户直接访问数据库：数据库系统一般都提供一种界面，使用户不需要编程就能完成复杂的分析，同时，数据库提供一种方法来控制数据库的访问和操作，维护一致性和保护数据库的完整性；

(6)冗余信息得到控制：通过不同数据库间相关字段的联系，将减少数据存储的时间和空间；

虽然现有的商业化数据库系统比文件系统具有更多的优越性，但它在GIS的应用中还存在一定的局限性，无法完成对几何特征数据的存储和管理。其原因如下： (1)在GIS中，空间数据记录是变长的，因为需要存储的部分参数（如弧段的结点、中间点数，多边形的弧段数）数目是变化的，即记录是变长的，而一般数据库只允许把记录的长度设定为固定长度。不仅如此，在存储和维护空间数据拓扑关系方面DBMS也存在着严重的缺陷。因而，一般要对标准的DBMS增加附加的软件功能。

(2)DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、包含、叠加等操作； (3)GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支持；

(4)地理信息是复杂的，对某类地理实体的表达需要多个文件、多条记录，这些文件和记录可能包括经纬网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值以及非空间专题属性等等。这些复杂的信息，一般的DBMS都难以支持；

(5)具有高度内部联系的GIS数据记录需要更复杂的安全维护系统。为了保证地理数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列必须与空间数据一起存储，否则，一条记录的改变就会使其它数据文件产生错误。一般的DBMS都难以保证这些。

图2-40 GIS数据管理方法示意图

到目前为此，GIS数据管理方法的发展主要有以下四种类型：

(1)对不同的应用模型开发独立的数据管理服务，这是一种基于文件管理的处理方法；

(2)在商业化的DBMS基础上开发附加系统。开发一个附加软件用于存储和管理空间数据和空间分析，使用DBMS管理属性特征数据；

(3)使用现有的DBMS。通常以DBMS为核心，对系统的功能进行必要的扩充，几何特征和属性特征数据在同一个DBMS管理之下。在此情况下，需要开发特殊的软件来提供空间分析和图形处理功能；

(4)重新设计一个具有几何数据和属性数据管理和分析功能的数据库管理信息系统。 见图2-40

2．6．2数据库模型

在GIS属性数据库中，以数据结构方式存储的图形实体或空间对象不仅数量众多，而且数据之间的联系错综复杂。那么，如何在数据结构的基础上组织这些数据呢？正像图书馆管理图书那样，图书馆有大量的藏书（书架上书的排列顺序可以认为是数据结构），这些书籍如何保存？如何管理？组织得好可方便读者使用，组织得不好将会影响读者的使用。对于数据库技术也存在同样的问题，数据组织的好坏

会影响系统的效率和用户对数据库的使用。所以，数据库数据的组织是数据库技术的一个核心问题。数据库技术在处理数据组织时，是从全局出发，对数据内部的联系和用户要求进行综合平衡来考虑的。在设计数据库全局逻辑结构时现有的数据库管理系统允许使用如下三种方法：

(1) 层次方法：将数据库数据按层次结构的形式进行组织； (2) 网状方法：将数据库数据按\有向图\的结构形式组织；

(3) 关系方法：将数据库数据按关系（Relation）形式，即一种表结构的形式进行组织。

对应上述三种方法的数据库模型如下： (1)层次模型

数据的层次模型是以记录类型为结点的有向树或森林，能很好的表达1：N的关系。其主要特点为：

1)除根结点外，任何结点都有且只有一个\父亲\；

2)\父\结点表示的实体与\子\结点表示的实体是一对多的关系。 层次数据模型实体组织示意图见图2-41(a)。 (2)网状模型

网状模型与层次模型不同，它是以有向图表示的网状结构，每个结点为一个记录类型。它具有以下几个特点：

1)可以有一个以上的结点没有\父\结点； 2)至少有一个结点有多于一个\父\结点；

图2-41 层次和网状模型模型实体组织示意图

3)结点之间可以有多种联系； 4)可以存在回路。

网状数据模型实体组织示意图见图2-41(b)。 (3)关系模型

关系模型是把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表格，每个二维表格

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