地理空间数据库原理(第二版)

**章 绪论 地理空间数据管理是地理信息系统的核心技术之一，也是地理信息技术与计算机数据库技术相结合的产物。地理空间数据管理在计算机文件系统（file system）和数据库系统（database system，DBS）的基础上，从基于文件存储、内存更新的单机、版本式管理模式逐步发展到基于数据库管理系统的多用户实时共享网络模式，成为地理信息系统的主流技术。由于地理空间数据的特殊性，地理空间数据管理在吸取计算机主流技术的各项*新成果的同时，也在为计算机和信息科学做贡献，成为计算机科技领域中应用研究技术内容*丰富的分支之一。 1.1 地理空间数据库起源 地理信息是描述地表形态及其所附的自然、人文地物特征与属性（attribute）的总称。地理信息是人们认知世界、利用自然不可缺少的媒介，也是经济社会发展的基础性、战略性资源。人类认识、利用乃至于依赖地理信息和知识有着几千年的历史，*直接的证明便是地图。地图的出现甚至要早于文字。地图是运用一定的数学法则与地图语言，经过制图综合，将客观世界表现在平面上，实质上是公式化、符号化、抽象化地再现客观世界。通过地图，人类对自身生存的环境有了完整的认识。借助于地图这一简单却又有效的工具，人们可以认识未知的客观世界。地图传递信息和载负信息的能力是无法用其他手段替代的。因此，无论过去、现在还是将来，人们仍将大量使用地图，甚至依赖于地图。 20世纪计算机的产生和发展，冲击着社会的各个领域，给许多行业带来了巨大的变化和深远的影响。计算机技术在信息处理领域的巨大功能和绝对优势，标志着社会进入了信息时代。古老的地图学在这个变革时期也正发生着巨大的变化，新技术的引用，不仅改变着传统的地图制作技术，还促使地图学理论与方法的研究不断深入。20世纪60年代计算机应用于地图学产生了计算机地图制图技术，人们用计算机表示地图要素（feature）及其相互联系（relationship），将连续的以模拟方式存在于纸质地图的空间物体离散化，以便计算机能够识别、存储和处理。 早期的计算机制图（地图制图自动化）只是把计算机作为工具来完成地图制图的任务，把人们从繁重的手工地图制图劳动中解脱出来，并由此带来了巨大的经济和社会效益。国家、军事部门和企业根据各自对地图数据的需要，投入了大量的人力、物力进行各种比例尺的地图数字化，产生了大量的地图数据。这些数据成为国家和军队的重要资源财富。与其他数据相比，地图数据特殊的数学基础、非结构化数据结构和动态变化的时间特征，给数据获取、处理和存储带来很大难度，如何妥善保存和科学管理这些地图数据是人们长期以来十分关注的课题（毋河海，1990）。伴随着计算机数据组织存储技术的发展，地图数据的维护、更新和管理经历了从低级向高级的发展过程，*初采用文件系统的形式，后来逐步发展为地图数据库系统（map database system，MDBS）。该系统由地图数据、地图数据管理系统（database management system，DBMS）、计算机硬件设备和地图数据库管理人员等组成。 地图数据的主要来源是普通地图，反之，生产地图也是早期地图数据库建设与发展的主要驱动力。因此，地图数据有以下几个特点。 （1）地图比例尺影响。地图数据是某一特定比例尺的地图经数字化而产生的。地理物体表示的详细程度，不可避免地受地图综合的影响。经过了人为制图综合，地理物体的几何精度（形状）和质量特征已经不是现实世界中的真实反映，只能是现实世界的近似表达。为了满足地图应用的需要，不同比例尺地图建立不同地理数据库，如1∶5万数据库、1∶25万数据库和1∶100万数据库等。 （2）强调数据可视化，忽略了实体（entity）的空间关系。地图数据主要是为地图生产服务的，强调数据的可视化特征。主要采用“图形表现属性”的方式，地图上地理物体的数量特征和质量特征用大量的辅助符号表示，包括线型、粗细、颜色、纹理、文字注记、大小等数十种。地图数据是以相应的图式、规范为标准的，依然保留着地图的各项特征。数据不表示各种地理现象之间的空间位置关系，如道路两旁的植被或农田、与之相邻的居民地等，各种地理现象之间的关系是通过读图者的形象思维从地图上获取的。地理物体如道路、居民地和河流在空间关系上是相互联系的有机整体，但在地图数据表示中是相互孤立的。因此，地图数据不强调实体的关系表示。 （3）按地图印刷色彩分层管理。为满足地图印刷的需求，依据地图制图覆盖理论，对地图数据按色彩分层管理，不是按照地理物体的自然属性进行分类分级。这种分层不仅割裂了地理物体之间的有机联系，还导致了同一个地物在不同层内重复存储，如河流两岸的加固陡坎隐含着河流的水涯线信息，道路与绿化带平行接壤使道路边沿线隐含着绿化带的边沿，河流、道路和铁路等线状地物可能隐含着区划界限。 （4）地图图幅限制了数据范围。受印刷机械、纸张和制图设备的限制，传统的地图用图幅限制地图的大小，地图数据用图幅来组织和管理。地图图幅割裂了大区域地理物体的完整性和连续性，例如，一条境界线因为地图的分幅而断作几条记录存储在不同的图幅内。随着信息科学技术的发展和地图数据应用的深入，地图数据已不再局限于地图生产。地图数据与其他地理信息结合产生各种地理数据，包括资源、环境、经济和社会等领域的一切带有地理坐标的数据，研究解决各种地理问题。地理数据与地图数据相比，这种数据主要通过属性数据描述地理实体的定性特征，用数字表示空间实体的数量特征、质量特征和时间特征。 在数据获取手段上，不再局限于地图的数字化，获取空间物体信息的手段越来越多样化，特别是随着传感器技术、航空和航天平台技术、数据通信技术的发展，现代遥感技术已经进入一个能够动态、快速、准确、多手段提供多种对地观测数据的新阶段。新型传感器不断出现，已从过去的单一传感器发展到现在的多种类型的传感器，并能在不同的航天、航空遥感平台上获得不同空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的遥感影像。遥感影像的空间分辨率已达到米级；光谱分辨率已达到纳米级，波段数已增加到数十甚至数百个；回归周期可达几天甚至十几小时；微波遥感已逐渐采用多极化技术、多波段技术及多种工作模式。全球定位系统（global positioning system，GPS）、惯性导航系统（inertial navigation system，INS）和激光雷达等高技术系统相结合的智能型实时地理信息获取系统步入了实用阶段，为地理数据的实时更新提供一个实用、简便、低廉的工具。 在地理信息表示方面，广大科学工作者开始思索如何利用它来反映自然和社会现象的分布、组合、联系及其时空发展和变化，研究在计算机存储介质上如何科学、真实地描述、表达和模拟现实世界中地理实体或现象、相互关系及分布特征。初期的地图数据仅仅把各种空间实体简单地抽象成点、线和面，这远远不能满足实际需要，要想进一步拓宽应用前景，必须进一步研究它们之间的关系（空间关系）。空间关系通过一定的数据结构来描述与表达具有一定位置、属性和形态的空间实体之间的相互关系。当人们用数字形式描述空间物体，并使系统具有特殊的空间查询、空间分析等功能时，就必须把空间关系映射成适合计算机处理的数据结构，这时必须考虑数据的表示方法。数据组织上，为了满足地理分析需求，在人们认识世界和改造世界的一定区域内（即现实世界地理空间）不管逻辑上还是物理上均为连续的整体，不受传统图幅划分的限制组织数据。 从空间尺度上讲，地物在地理空间只有唯一的地理数据表示，空间物体本身没有比例尺的含义，应尽可能详细、真实地描述物体形状、几何精度和属性。但人们对地理环境的认识往往需要一个从总体到局部、从局部到总体反复认识的过程。为了满足人们对地理空间这种认识需求，必须考虑空间物体的多尺度性，以满足不同的社会部门或学科领域的人群对空间信息的选择需求。 综上所述，从数据内容、获取手段、表示方法和数据组织上看这些数据已经超出了地图数据的表示范畴，为了与地图数据区分人们称之为地理信息数据（geo-information data）。地理信息数据的获取、处理、管理和分析及其在地学领域的应用促使了地理信息系统（geographic information system，GIS）的产生和发展。GIS 的本质是以测绘技术获取地理信息为基础，以数据库储存和管理地理数据，以可视化为地理信息表达的主要手段，运用不同地理空间分析方法满足应用需求。所以，GIS 的核心是地理信息数据库（geographic information database，GIDB）。它是在一定的地域内，将地理空间信息和一些与该地域地理信息相关的属性信息结合起来，实现对地理几何特征和属性信息的采集、更新和综合管理。 地图数据和地理信息数据都是带有地理坐标的数据，是地理空间信息两种不同的表示方法，地图数据强调数据可视化，采用“图形表现属性”的方式，忽略了实体的空间关系，而地理信息数据主要通过属性数据描述地理实体的数量和质量特征。地图数据和地理信息数据所具有的共同特征就是地理空间坐标，统称为地理空间数据（geospatial data）。地理空间数据库（geospatial database，GDB）的主要任务是研究地理空间物体的数据表示、数据模型（data model）及在计算机内数据的存储结构和空间索引的建立方法，如何以*小的代价高效巧妙地存储和处理空间数据，正确维护空间数据的现实性，为用户提供现实性好、准确性高、完备、开放和易用的地理空间数据。 地理空间数据库系统（geospatial database system，GDBS）的核心软件是空间数据库管理系统（geospatial database management system，GDBMS）。它是为了满足日益发展的空间数据管理的需要，在文件的基础上发展起来的一种空间数据管理技术。它按一定的方式组织和存储管理地理空间数据，具有较高的程序和数据独立性，能以较少的重复为多个用户或应用程序提供数据服务。 将计算机技术与数据库技术应用于地理空间数据的管理，需要解决地理空间数据的模型和索引等一系列复杂的问题，研究解决这些问题的理论方法推动了地理空间数据库技术的产生和发展。 1.2 地理现象数据表达 数据作为信息的载体，是用符号记录下来的、可识别的信息。从一般意义上来说，数据是描述现实世界中各种具体事务或抽象概念的可存储并具有明确意义的信息。地理空间数据是描述地球表层（有一定厚度）一定范围内的地理事物及其关系的数据，是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等方面信息的数据。 1. 地理空间 关于“空间”（spatial）的概念不同的学科有不同的解释。从物理学的角度看，空间是指宇宙在三个互相垂直的方向上所具有的广延性。从天文学的角度看，空间是指时空连续体系的一部分。地理学是研究地球表层空间分布规律的科学，因此地理学的空间是一个定义在地球表层空间实体集上的关系。在空间实体之间有无数种关系，物理距离只是这些关系中的一种度量；定义一种关系就自然定义了一种空间，而这个空间又是和几何关系联系在一起的，并且，几何关系是所有这些关系中的基础关系。也许正因为如此，今天大多数的学者都强调空间位置和拓扑关系。也就是说，地理空间（geospatial）是一个相对空间，是一个空间实体组合排列集（这些空间实体具有精确的空间位置），强调宏观的空间分布和空间实体间的相关关系（关系是以各单个地理空间实体为联结的结点或载体）。地理空间若想精确定位于地球上，还必须承认它有欧氏空间基础，有相对于地球坐标系的绝对位置。这样，通过地理空间和欧氏空间的统一，从而将地理现象的宏观特性和空间位置的精确特征紧密有机地联系在一起。其中，宏观特性主要体现在地理对象之间的拓扑关系与非拓扑关系（通过数据模型体现）上，其载体则是具有精确位置、起着联结结点作用的那些单个地理空间