格网空间索引及其在空间数据库中的应用.docx

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1、摘要空间索引是地理信息系统的一项关键技术，其性能优劣直接影响空间数据库 的整体性能。一方面，建立索引是用于提高数据库搜寻效率的有效工具;另一方面, 由于空间关系的运算比较简单，假如能将空间关系的推理和查询范围缩小,就可以 提高空间关系的询问效率。本文重点讨论了基于规章格网划分的格网索引，然后 介绍了其在Oracle关系型数据库中的应用。关键词：空间索引，格网索引，空间数据库，OracleAbstractSpatial index is a key technology of the geographic information system, its performance directly

2、affects the overall performance of the spatial database. On the one hand, the index is used to improve the efficiency of database search tools effectively; On the other hand, because of the space relationship between the operation is complicated, if can the reasoning and query of spatial relations,

3、can improve the efficiency of spatial relations inquiries. This paper mainly studies the rules based on grid partitioning grid index, and then introduces its application in the Oracle relational database.Key words: spatial index, grid index, spatial database, Oracle可用(spatialenable),来存储空间实体数据，实体属性(如

4、长度、面积等)用一般字段 存贮。数据访问模型如图所示。图3-3 ArcSDE数据访问模型每个实体对应层表中的一条纪录,可以像通常那样对表中的数据进行查询、 合并，也可进行图形到属性和属性到图形的查询。其中图形的查询要通过称为 Shape的结构。Shape是ArcSDE中表示空间数据的单元，它可以是一个点、一条 线、一个面，一个Shape就是地图上的一个对象,如一座城市、一一条河流、一个湖 泊。Shape内部存贮时又分为一个或多个part,每个part又可分为一个或多个 subparto它包含地图对象的参考坐标信息、拓扑信息和点坐标信息。对数据库 中矢量数据的读写必需通过Shape来完成，也就是

5、，从数据库返回的矢量数据先读 入Shape结构,然后再从中提取需要的信息，同样，要写入数据库的矢量数据必需先 写入Shape结构，再把Sh叩e写入数据库。4结论与展望针对空间数据本身的特点及空间数据的查询特点，国内外学者作了许多讨论工作，设计 出许多空间索引方法，空间索引技术讨论始终是空间数据库讨论领域中的一个热点，但对于 空间索引技术及基于它的空间数据查询还存在许多问题，有特进一步解决.随着新的技术和 方法不断的发觉和完善，对空间索引技术的讨论也将不断地深化下去。空间数据库技术是地理信息系统的基础和核心.随着地理信息系统的广泛使 用，人们对作为地理信息系统核心部分的空间数据库要求也越来越高。

6、由于空间 数据特别简单且数据量相当大，因此，建立一种有效的空间数据库是地理信息系统 领域的主要讨论方向之一，建立适合于特定应用的高校空间索引至关重要。5参考文献1肖伟器，冯玉才，肖大海.地图数据库中的空间索引计算机工程与应用，1995, 22顾军，吴长彬常用空间索引技术的分析微型电脑应用,2001,173王家耀空间信息系统原理科学出版社4毋河海地图数据库原理测绘出版社张成才，孙喜梅，黄慧SDE的实体一关系模型空间数据管理方式讨论几计算 机工程与应用,2003.陈述彭，周成虎.地理信系统导论科学出版社.2005.17潘瑜春，钟耳顺，梁军.基于空间数据库技术的地籍管理系统讨论川.地理究讨 论,20

7、03.名目摘要IAbstractI第一章引言11.1 空间索引概述11.2 空间索引基本类型1其次章格网索引32.1 格网索引基本思想32.2 建立格网索引32.3 使用空间索引4第三章空间索引在空间数据库中的应用53.1 ArcSDE索引基本功能53.2 ArcSDE空间索引的原理63.3 ArcSDE矢量数据访问类的设计与加载74结论与展望95参考文献10第一章引言1.1 空间索引概述空间索引是对存储在介质上的数据位置信息的描述，借以提高系统对数据猎 取的效率。空间索引依据空间对象的位置和外形或空间对象之间的某种空间关系, 按肯定挨次排列组成一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象

8、的标识、 最小外接矩形及指向空间对象实体的参数等。在GIS中，各种数据格式、数据源的 数据集中在空间数据库中，为了能较好的完成空间信息的自动综合，应为这些信息建立能快速完成空间信息提取，并能进行 信息还原的各种空间数据索引。作为一种帮助性的空间数据结构,空间索引介于 空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，排解大量与特定空间操作无关的 空间对象,从而提高空间操作的速度和效率。空间索引的性能的优劣直接影响空 间数据库和地理信息系统的整体性能,它是空间数据库和地理信息系统的一项关 键技术。1.2 空间索引基本类型常见的空间索引方法一般是自顶向下、逐级地划分地理空间，从而形成各种 树状空间索引结

9、构。有代表性的规章分割方法包括规章格网索引方法、BSP树和 KDB树等。基于对象的分割方法包括R树、R+树、Cell树和四叉树等。较为成熟 也是应用广泛的索引类型主要有:格网索引、BSP树、四叉树和R树。(1)格网索引格网型空间索引原理比较简洁明白，易于实现。其基本思想是将讨论区域用 横竖线条划分大小相等和不等的格网，纪录每一个格网所包含的空间实体。当进 行空间查询时，首先计算出查询对象所在格网,然后再在该格网中快速查询所选空 间实体，确定与空间操作有关的空间对象，排解与空间操作无关的空间对象。规章 格网空间索引的查询速度快，但数据量大。(2) BSP 树BSP树是90年月后广泛应用在射线计算

10、、碰撞计算和网络上。BSP树从结构 上可以分割为若干子集。BSP树实质上是一种二叉树,它将地理空间逐级进行一分 为二的划分 BSP树能很好地与地理对象的空间分布状况相适应，但对一般处理状 况而言,BSP树深度较大,对各种操作均有不利影响。(3)四叉树索引四又树索引是一种重要的空间数据索引技术。依据数据二维分布的特点，将 空间区域依据4个象限进行递归分割，直到子象限的数据单调为止,最终得到一棵 四分叉的倒向树。四叉树有两种:一种是层次四叉树，在子节点与父节点之间设立 指针，由于指针占用空间较大,难以达到数据压缩的目的。层次四叉树由于涉及层 次间指针操作，维护起来比较麻烦，故较少采纳。另一种是线性

11、四叉树，它不需要一 纪录中间节点和使用指针,仅纪录叶节点，并用地址码表示叶节点的位置。因而, 线性四叉树广泛应用于数据压缩和GIS中的数据结构。(4) R树和R+树R树可以直接对地理空间中占据肯定范围的地理要素进行索引，它依据几何 对象的最小外接矩形MBR来索引二维或更高维数的地理对象，树的结点存储对象 或对象集合的MBR。R树的叶结点存储单个对象的MBR,以及指向对象空间位置 的指针，非叶结点存储指向更低级结点指针。R树有个重要的特点就是存储的 结点所对应的空间区域可以相互重叠,这样的特性使R树比较简洁进行删除和插 入操作，但会使空间搜寻的效率降低，囚为区域之间有重叠,可能要对多条路径进 行

12、搜查后才能得到最终的结果。这样的不足促使人们查找区域之间没有重叠的新 的索引方法，这样进展了 R+树。在R+树也结点对应的空间区域没有重叠，这样划 分空间可以使空间搜寻的效率提高，但由于在删除和插入地理对象时要保证结点 对应的空间区域不重叠，又会造成删除和插入操作的效率降低。其次章格网索引4.1 格网索引基本思想将空间区域进行划分，划分为大小相等或不等的网格，每个网格都包含肯定 数量的空间对象，在进行查询操作时，先确定查找范围所对应的网格，然后在从 这些网格中快速查找满意条件的空间对象4.2 建立格网索引（1）将整个图幅划分若干格网，并逐个标号。13141516910111256781234图

13、2-1空间格网划分及其编号（2）从数据库中读出数据，计算其经过的格网，纪录格网编号。13二161012568134图2-2存入空间实体（3）在经过的每个网格中纪录下空间实体的地址或引用。4.3 使用空间索引在对地理对象进行检索操作时，按点、线、面进行:先依据鼠标点确定目标 的对象的格网号，依据格网号从格网数组中提取所存目标的关键字及分类码，然 后依据分类码推断拾取目标是点、线还是面，再从相应的数组中提取与格网数组 中相对应的目标对象，并推断鼠标选中的是哪个目标，最终将选中的目标对象信 息显示出来。第三章空间索引在空间数据库中的应用3.1 ArcSDE索引基本功能ArcSDE通过格网索引途径实现

14、空间数据索引。索引所实现的基本功能有：(I)图形数据在空间区域中的位置确定ArcSDE以二进制方式存储图形数据，在图形数据表只是存储了图形的外形。 因而要采纳其它方法描述空间区域中图形所在的位置。(2)图形与方格的“非结构性”关系在图层入库时，图层的空间区域被划分成格网，系统从而确定了每个图形所占 据的方格。在图层对应的索引表中只纪录每个被图形占据的方格。每个图形要素 (feature)可能只占据一个方格，也可能占据多个方格。这样，图形要素与方格的关系 具有不确定性，即“非结构性”关系(3)过滤与精化当进行空间查询时，依据给定的范围在索引表中得到其对应的方格，继而得到 占据方格的图形，这样就可

15、以只推断与索引块相关的图形，削减了查找时间，这个 过程称为过滤。然后依据图形表的MBR与传统的空间关系计算方法，可以精确的 得出查询结果，即精化。ArcSDE采纳了具有变长的压缩二进制数据类型纪录每个 被图形占据的方格及占据方格的图形编号(gid)。该纪录被存于在索引表中,每个方 格的对角点坐标也相应纪录在索引表中，并在层表(layertable)中形成了两个表的 规律关系。，fl OBJZCTID $TSMBS ( KZUVJSVSHAPE161000600100 51010S014004 盐井社6 1946370 1946370 (SDE.$T_GE0!(ETRY)龙，ft区7 43923

16、5439235 $DE,$T_GEOETRY)快活社区8 1418340 1418340 SDK.5T_GE0METRY)联工社区9 1719760 1719760 (SDE.STJEONmY)金沙街il加1 处10 3375400 3375400 (SDE.ST.GEOMETRY)51010S006000软华西路街海办事处11 1322500 1322500 (SDE.ST.GEOKmY)，黄社区12 1899840 189984。3DE.ST_GE0METRY第土社区13 1785450 1785450 3DE.ST.GE0METOY)草市街街j|办9处14 1199700 1199700

17、 $DE.ST_GEOMETRY图3-1业务表结构V GX GY MINXMINYMAXXMAXYSPJLD184324461655296913001552999020011843244617552957340015529615000118432446175S295687001S5296200001184324461755295748001552964470011843244617552961420015529663100118432446175529615000155296637001184324461755296168001552966430011843244617552948740015

18、52967670011843244617552966370015529691700118432446175529662600155297189001184324461755296631001552972060011843244617552968740015529722200118432446175S297173001SS29789400118432446175529718900155297928001图3-2索引表结构3.2 ArcSDE空间索引的原理ArcSDE采用的架构如图所示，这种结构支持多个用户同时对数据库中的数据 进行访问。客户端和服务器端的恳求与服务是通过TCP/IP合同来完成的，

19、对空间 数据的传输是通过ATM方式来实现的。真是由于这种数据传输机制，用户不需要 和数据直接进行交涉，只需知道自己对空间数据要进行何种操作即可，不需要关怀 数据的存储方式和存储位置。关系数据库与ArcSDE的结合真正实现了地理特征 数据和空间数据的统存储，同时也拥有了两者的有点，融合了两者的功能，真正 实现了空间数据的图属一体化空间索引的目的是削减由ArcSDE执行Shape与Shape比较的次数。当一个 ArcSDE客端在一次恳求中应用一个空间过滤器时,ArcSDE服务器和RDBMS必需在 图层的数据纪录中确定出哪些Shape满意空间约束条件。ArcSDE从客端空间过 滤器确定过滤器的封装边

20、界以及过滤器封装边界所跨的格网单元，这些值在SQL 的WHERE子句中传递给RDBMSo(DRDBMS从ArcDE接收SQL语句(该语句包括格网单元和封装边界的坐标)。 where子句定义了在空间索引中需要选择的格网单元。一旦在空间索引表中确定 了格网单元，封装边界的搜寻就从所选择的格网边界开头。(2)采用过滤器封装边界和空间索引表中的Shape封装边界,RDBMS可以削 减最初的选择集。RDBMS比较过滤器封装边界和Shape封装边界是否有重叠，假 如有，则该Shape被选择来做下一步的Shape比较。(3)在ArcSDE中,空间过滤器的Shape与(2)的要素封装边界进行比较。 假如要素封

21、装边界与过滤器的Shape重叠，这些数据纪录就不会用到最终一步。(4) Shape与Shape比较是一个过滤器Shape和要素Shape的二进制比较 过程，一旦有重叠发生，比较的结果纪录就返回给客端。(1) , (2)是用来削减由ArcSDE执行的Shape比较的次数。削减返回的数 据纪录有助于削减Shape比较的数量,因而也就削减了空间查询的时间。3.3 ArcSDE矢量数据访问类的设计与加载ArcSDE支持3种不同的应用编程接口，可以依据项目的需要进行选择：(1) ArcobjectsArcobjects是一组比较完整的GIS组件库，采纳Microsoft的COM组件标准， 供应从GIS信

22、息表现、空间数据加载到空间分析等各个方面的功能，功能特别强大。 ESRI的ArcGIS Desktop系列就是基于该组件库开发。(2) ArcSDE 客端 APIESRI开发了一套基于oee简洁要素标准(simpleFeaturespeeification)实现的 API,面对开放系统开发，可以用于与ArcSDE数据服务的交互。ESRI目前供应基于C 语言和Java语言的实现。(3) SQLAPIArcSDE供应了一组SQLAPI与GeoDatabase(地理数据库)交互。这种方法绕过 了 ArcSDE,适合于访问非空间信息和具有空间可用字段的数据库(如oracleJBMDB (2)o主要采用DBMS自身的空间数据管理功能,不能完全满意GIS的需要。通过Arcobjects访问ArcSDE可以充分发挥ArcSDE的功能，支持Win32ArcSDE的矢量数据访问模型ArcSDE通过层表(Layertable) 特征表(Featuretable) 空间索引表 (spatiaiindextable)来在RDBMS中存储和管理矢量数据。特征表和空间索引表对用 是不行见的。对用来说,空间数据的存储和管理主要是通过对层表的读写操作实 现。创建层表的过程是把商业数据库表的整型字段给予空间属性,使其成为空间