空间数据相对于一般的事务性数据量要大，一幅标准的地形图矢量数据可达几兆，一幅标准地图分幅的数字影像数据可达上百兆，一个区域地理信息系统的空间数据量可能达几十千兆，或数百千兆。随着GIS应用领域的不断扩大，一个大型的空间数据库系统，如城市规划系统、地下管网管理系统、土地管理系统、公安警用系统等，由于其管理的数据量很大，且比例尺也大，这些系统的空间数据库的数据量级可达吉字节甚至太字节，通常称为海量数据。如何解决海量空间数据管理问题就成为空间数据库技术的关键所在。

4.1.1 空间数据的组织形式

1. 海量数据特征

空间数据量是巨大的，由于地理数据涉及地球表面信息、地质信息、大气信息等多种极其复杂的信息，描述信息的数据量十分巨大，容量通常达到GB级，而一个城市GIS的数据量可能达几十个GB，如果考虑到影像数据的存储，可能达几百个GB乃至TB级，通常称为海量空间数据。海量空间数据具有多时空性、多尺度性、多源性等特征，处理数据量大、结构复杂。空间数据库必须解决数据库冗余问题，加快访问速度，防止由于数据量过大而引起的系统“瘫痪”，这就使得空间数据的组织管理要不同于普通数据。

2. 数据组织的分级

数据是描述现实世界中的信息的载体。为表达有意义的信息内容，数据必须按照一定的方式进行数据组织和存储。数据库中的数据组织一般可分为四个级别: 数据项、记录和文件和数据库。

(1)数据项

数据项是文件中可存取的数据的基本单位，也是可以定义数据的最小单位，也叫基本项、字段等，它具有独立的逻辑意义，例如一个编码、一个坐标等。数据项与实体的属性相对应，用来描述物体的属性，有一定的取值范围，称为域。数据项的值可以是数值、字母、字母数字以及汉字等形式。每个数据项都有一个名称，叫做数据项名，用以说明该数据项的含义。数据项的物理特点在于它具有确定的物理长度，一般用字节数目来表示。数据项组是由在逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的，如“日期”可以由日、月、年三个数据组合而成。

(2)记录

记录是由一个或多个数据项或数据项组组成，是应用程序输入/输出的逻辑单位。对数据库系统来说，是信息处理和存储的基本单位，是对一个实体信息描述的数据总和，记录的数据项表示实体的若干属性。记录中总有某个或某几个数据项，它们的值唯一地标识一个记录，这个(或这些)数据项称为关键字。有主关键字、次关键字之分。

记录有逻辑记录和物理记录。逻辑记录按信息逻辑在逻辑上的独立意义划分数据单位，物理记录按数据存储单位划分。两者之间的关系为: 一个物理记录对应一个逻辑记录; 一个物理记录对应若干个逻辑记录; 一个逻辑记录对应若干个物理记录。

(3)文件

文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。文件的数据量通常很大，所以一般放在外存上。文件组织是指数据记录以某种结构方式在外存储设备上的组织。因此，文件一般是指存储在外部介质上数据的集合。

根据记录的组织方式分为: 顺序文件、索引文件、直接文件、和倒排文件。文件用文件名标识。在简单文件中，每个逻辑记录包含相同数目的数据项。在较为复杂的文件中，由于重复组的存在，每个记录包含不同数目的数据项。

(4)数据库

数据库是具有特定联系的数据集合，也可以看成是多类型记录的集合。是比文件更大的数据组织。其内部构造是文件的集合。文件之间存在某种联系，不能孤立存在。

数据组织的层次有两类分级方法: 逻辑分级: 从人的观测角度及描述对象之间的关系，有数据项、记录、文件和数据库。物理分级: 在存储介质上的存储单位，有比特、字节、字、块、桶和卷。

3. 空间数据的组织形式

面向GIS地理数据模型是由点、线、面和体组成，为了便于管理和应用开发，解决海量数据的存储问题，一方面从存储硬件方面考虑，要开发研制大容量的存储设备; 另一方面，要采用合理的数据处理与组织等软措施，如信息压缩技术、分布式存储技术等。

GIS中空间数据的存储方式有两类: ①空间数据的文件方式管理加属性数据的关系数据库管理; ②空间数据和属性数据的全关系数据库管理。目前，基于数据库的GIS系统已经实现了图形数据和属性数据的无缝结合: 所有空间、属性栅格影像数据都存储于中央数据库中，既方便了数据的维护，又确保了数据的完整性和一致性。基于关系数据库或者对象关系数据库(ORDB)的空间数据管理已经成为GIS发展的趋势。

对海量空间信息进行有效的组织，需要对所得到的地理数据重新进行分类、组织，来提高空间信息的存取与检索速度。通常，人们习惯于在二维空间上按不同比例尺、横向分幅(标准分幅或区域分幅等)，在垂直方向上纵向分层(专题层等)来组织海量空间数据。将现实世界中的空间对象层层细分，先将地图按专题分层，每层再按照临近原则分块，每块也称为对象集合。如有需要，再将大块分为小块，最后为单个对象。对象集合是由多个单个对象组成。

4. 纵向分层组织空间数据

在空间数据库中，由于空间信息种类繁多，数据量巨大，为对不同要素进行查询和分析，提高地图中各个要素的检索速度，便于数据的灵活调用、更新及管理，根据地图的某些特征，把空间数据分为若干个专题层，将不同类不同级的图元要素进行分层存放，每一层存放一种专题或一类信息。这种在一定空间范围内把具有相同属性要素的同类地理空间实体按照用户一定的需要或标准有机组合在一起构成图层，它表示地理特征以及描述这些特征的属性的逻辑意义上的集合。

在空间数据库中的图层并不是这些地理空间实体的简单堆砌，而是在某种特殊应用领域下地理空间实体的组合，并且相互之间有着密切的联系。在同一层信息中，数据都具有相同的几何特征和相同的属性特征。一般情况下，若干地理实体可以作为一个图层，一个图层可以由相同类型的地理实体构成，也可以包含不同类型的地理实体，而各个图层的叠加即组成一幅完整地图。在这种分层组织方式中，空间数据由若干个图层及相关的属性数据组织而成，每个图层又以若干个空间坐标的形式存储，各专题层统一的地理基础是公共的空间坐标参照系统，如水系、道路、行政区划、屋、地下管线、自然地形等。为了对不同要素进行查询和分析，可在逻辑上加以区别通常利用“层”的概念来分别组织存储不同要素的空间信息，是目前空间数据组织的基本方法之一。如图4.1所示，按照地物抽象成的几何要素被人为地分为道路层、建筑物层、植被层、水系层等。

图4.1 空间数据分层组织

在空间数据库中，地理空间数据是分层次的，按专题属性或专题特征，一幅地图可以划分成多个专题图层，这些图层都具有完全相同的地理范围。

数据分层的依据是专题内容、几何表达形式和拓扑特征的差别。一般而言，专题内容不同的数据建立不同的层，例如: 水系、道路、居民地在地形图模型中均为单列的层; 根据几何表达形式将专题内容分解为不同的层，同一个图层中的空间实体大多是同一要素类型，如点图层、线图层、面图层、栅格影像图层等，在水系中的多边形的湖泊和河流、线状的河流与水渠、点状的井与泉三类表达形式不同的数据应分别建立不同的层。

专题分层就是根据一定的目的和分类指标对底图上专题要素进行分类，按类设层，每类作为一个图层。分类可以从性质、用途、形状、色彩四个方面考虑。性质用来划分要素的类型，说明要素是什么，如河流、公路、境界等。不同的用途决定了地图表示内容的不同，不同的内容必须用不同的图层表示，因而不同用途的地图其图层划分极不相同。例如，在消防指挥地理信息系统中，以1∶ 1万城市平面图为基础数据，根据用途分两大类:显示用图层和分析用图层。显示用图层包括街区层、铁路层、水系层、注记层; 分析用图层包括街区道路层、单位层、建筑层、市政消火栓位置层、消防单位及责任区层、无线电报警点位层。不同的色彩可用来表示不同要素。例如，地形图，棕色表示等高线、冲沟等，钢灰色表示居民地、道路、境界、独立地物等，蓝色表示水系、河流、湖泊等，色彩是划分图层的一个重要指标。根据比例尺的大小可将各层分别定义为点层、线层和面层。表4.1是图层划分的例子，其中每一图层存放一种专题或一类信息，有些是几种关系密切的相关要素组合在一起构成一个图层，有些是按照不同属性把图件分解成若干个只代表个别属性的图层，所有点图元(包括注释)层有一个对应的点数据文件，所有线图元层有一个对应的线数据文件，所有区图元层有一个对应的区数据文件。图层分得粗还是细，必须根据应用上的需要，计算机硬件的存储量、处理速度以及软件限制来决定。图层分得过细或过粗都不好，分得过细不便于管理，不利于考虑要素间相互关系的处理，反之分得过粗，不利于某些特殊要求的分析、查询。例如，把在地下管网系统中不同性质的地下管线(供水、排水、污水、电力、通信、煤气、热力等)合在同一图层，当需要单独查询，显示其中一种管线时，只能根据管线的属性来区分，这比单独用一层存放一种管线要花费更多的处理时间。

专题分层的组织方式在理论上和实践上比较成熟，在以前的GIS系统中经常使用。除了按专题内容进行分层外，还有一些其他形式，可以依据时间和垂直高度进行分层。按时间序列分层则可以不同时间或时期进行划分，时间分层便于对数据的动态管理，特别是对历史数据的管理。按垂直高度划分是以地面不同高程来分层，这种分层从二维转化为三维，便于分析空间数据的垂向变化，从立体角度去认识事物构成。另外，也可以按专题分层与面向对象相结合的方式、完全面向对象的组织方式等进行分层。随着面向对象技术的发展和成熟，把面向对象与分层结合起来的方式得到了越来越多的应用，特别是随着Oracle数据库对空间数据的支持，使得这种方式逐渐流行起来。

这种以层次结构组织空间数据的方法为采用R树空间索引进行空间检索做好了准备工作。对地图进行分层管理，是计算机对图形管理的重要内容，以层的管理形式效率最高。分层便于数据的二次开发与综合利用，实现资源共享，也是满足多用户不同需要的有效手段，各用户可以根据自己需要，将不同内容的图层进行分离、组合和叠加形成自己需要的专题图件，甚至派生出满足各种专题图幅要求的不同底图。用户操作时就只涉及一些特定的专题层，而不是整幅地图，这样系统就能对用户的要求做出迅速的反应。分层组织也有一些缺点，较少考虑以分类属性和相互关系为基础的结构化实体的内在规律描述，使空间分析能力相对较弱，忽视了地理现象的本质特性及其之间的复杂内在联系，降低了信息的容量等。当然分层组织并不是唯一的组织方式，还有诸如基于特征的数据组织等，但是，目前使用较为成熟的还是分层组织管理。

4.1.2 空间数据图幅的组织方法

由于海量空间数据具有数据量巨大且分布范围广的特征，产生了无限的地球空间信息与有限的计算机资源之间的矛盾，为了解决这个矛盾，采用了分幅存储、管理和处理。

目前，多数GIS应用系统，都是以图幅为单位进行管理。即按图幅将大区域空间数据进行分割，现在世界各国的一般方法是采用经纬线分幅或采用规则矩形分幅，如图4.2所示。

图4.2 图幅之间邻近关系示意图

1. 空间数据图幅组织的原因

随着GIS应用领域的不断扩大，如城市规划系统、地下管网管理系统、土地管理系统、公安警用系统等，由于其管理的数据量很大，且比例尺也大。所以，靠对单幅图的管理已不能适应应用的需要。无论哪类数据，如果不进行分割，就会出现很多问题，主要有以下几个方面:

①有限的磁盘容量与无限的地球空间信息的矛盾。海量空间数据库的数据量一般大致上百甚至上千吉字节，如此巨大的数据量往往超出了文件管理能力大小的范围，也无法存储在单个磁盘上，若分散在不同的磁盘上，存取、复制又很不方便。

②数据不完全问题。一旦出现系统故障，或操作不慎，就会导致数据库个别地方的破坏，甚至还可能破坏整个数据库，出现数据不完全现象。

③数据库维护困难。如果不对数据库进行分幅处理，那么即使是对个别范围的数据更新，也常常要处理整个范围的数据库，这就要花费很多的计算时间，尤其是需要更新拓扑结构、四叉树结构、游程长度编码结构时，问题就更为突出。

④查询分析效率很难提高。实际上，大多查询分析应用只需在局部数据范围内进行，但是整个数据文件越大，局部数据处理的相对时间越长。

为了解决上述问题，常在数据分层的基础上对空间数据进行分幅，当只涉及某幅的一些操作时，只对该幅的小范围进行操作就可以了。当需要跨越多幅数据时，利用软件自动地将相关图幅的数据拼起来，而处理这些数据的用户并不需要做拼接的操作，也不会感到查询、分析的结果是拼接起来的，他所面对的是一个拼接好的整体。当处理工作涉及多种专题或多个层时，则先自动完成各层内的多幅拼接，再处理层与层之间的关系，这就是空间数据的分幅处理。

2. 空间数据库的图幅组织方法

海量空间数据库是以图幅为单位进行管理。将某一区域的空间信息按照某种分幅方式，分割成多个数据图幅，以文件或表的形式存放在不同的目录或数据库中。在空间数据库中，用图幅来表示地理区域互不重叠的单一要素。在进行数字化录入和数据编辑等操作时，均是对单幅图处理，然后再将这些图幅组织到一个空间中。

各个图幅的地理范围都不相同，不同图幅对应不同的块区域，它们从空间上拼接成一个完整的地图。空间数据的分幅组织可以有效地对数据进行分割，解决不能容纳较大数据集的问题，从而实现对海量空间数据的有效管理。

在对空间数据库进行图幅组织管理时，为将各图幅都组织到一个大区域空间上，首先要对该空间的组织形式进行定义，数据库中的所有图幅都须按定义的形式进行录入。主要包括: 坐标单位、经度和纬度跨度(用经纬线分幅时)、比例尺、图幅的宽和高(用矩形分幅时)、地图投影类型、椭球体参数等。在大区域空间的组织形式确定后，就可逐一将图幅输入库中。输入时须指出该图幅的文件名(可能一个图幅含有多个文件)和用于确定图幅在库中的位置的横向纵向序号(矩形分幅)或左下角经纬度(经纬线分幅)。

对系统而言，当用户要求按某局部范围进行检索时，系统可对所指定范围对应的图幅文件进行检索; 当用户要求按分类要素进行检索时，系统可根据图幅之间的邻接关系将所有需要的要素检索出来。(www.daowen.com)

3. 图幅间被分割目标的组织方法

将图幅输入库中时，还未建立相邻图幅间同一目标的联系。这种联系可以在用户做相邻图幅的拼接时(通过自动或人工方式进行相邻图幅间同一目标的连接)，由系统将这种联系记入系统中。系统中以什么样的形式来组织和管理被分割目标的联系，是海量空间数据库管理系统的一个重要内容。我们认为，可以有两种方式来组织这种联系: 统一建立和管理整个空间的所有目标的联系和只建立和管理被分割目标的联系。

(1)整个空间目标统一组织和管理方式

这种组织方式是建一个全库索引表，将整个空间的所有目标及其分属的图幅号均放入索引表中。如图4.3和表4.1所示。

图4.3 图幅间目标连接图

表4.1 全库索引表

图中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别表示全库中的目标编号，①～④分别表示各图幅中的对象编号。在全库索引表中，存放的是同一目标在各图幅中的对象个数和编号。如，Ⅱ号目标在图幅6中有一个对象，其在图幅6中的编号为2。

除了全库索引表外，还应建立一个区域嵌套关系表，如Ⅲ号区嵌套在Ⅱ号区内。

这种用全库索引表来表示不同图幅间目标的连接关系，比较简单、明了。缺点是: 索引表比较大，而大多情况下，真正被分割到多个图幅上的目标是少数。

(2)只建立和组织被分割目标方式

这种方式是只将被分割的目标放在索引表中，显然，此索引表要比上述的全库索引表要小得多。在建库和图幅入库时，索引表是空的。当进行图幅拼接时，每拼接一个目标，就将该目标的信息(包括该目标分别在两个图幅中的编号)插入索引表中的适当位置(有可能该目标还与第三个图幅有关，且已记入索引表中)。

在检索目标时，可根据所要检索的图幅号来查询索引表，从中找出符合要求的完整的目标对象。对索引表中没有的目标，可直接查询该图幅中的目标信息即可。

4. 空间数据分幅方式

空间数据分幅的方式主要有: 标准经纬度分幅、矩形分幅和任意区域多边形分幅。

空间数据标准经纬度分幅是根据经纬线将空间数据划分成多个数据图幅; 矩形分幅是按照一定大小的矩形将空间数据划分成多个数据图幅; 任意区域多边形分块顾名思义就是依据特征按任意多边形将空间数据划分为多个数据图幅。

例如一个县的土地利用现状图就有按乡镇区域分幅的和1∶ 1万(地形图)标准经纬度分幅的两种形式; 国家基本地形图的分幅就是按经纬线分幅的梯形分幅法，和按坐标格网分幅的矩形分幅法。前者用于中、小比例尺的国家基本图分幅，后者用于城市大比例尺图的分幅。除以上主要的分幅方式外，还可以按行政区划分幅、城市管理分幅(如电信分幅、污水系统分幅、消防分幅等)、交通管理分幅、邮政分幅、环保分幅等。下面介绍几种常用的分幅方法。

(1)标准经纬度分幅

为了便于计算机检索和管理，1992年国家标准局发布了《国家基本比例尺地形图分幅和编号》(GB/T13989-92)国家标准，自1993年7月1日起实施。我国基本比例尺地形图分幅与编号新方法均以1∶ 100万地形图为基础，按规定的经差和纬差划分图幅(见表4.2)。

表4.2 各种比例尺地形图梯形分幅

1∶ 100万地形图的分幅按照国际1∶ 100万地图分幅的标准进行，每幅1∶ 100万地形图的标准分幅是经差6°、纬差4°(纬度60°～76°之间为经差12°、纬差4°; 纬度76°～88°之间为经差24°、纬差4°)。

每一幅1∶ 100万地形图分为2行2列，共4幅1∶ 50万地形图，每幅1∶ 50万地形图的分幅为经差3°、纬差2°。

每幅1∶ 100万地形图划分为4行4列，共16幅1∶ 25万地形图，每幅1∶ 25万地形图的分幅为经差1°30'纬差1°。

每幅1∶ 100万地形图划分为12行12列，共144幅1∶ 10万地形图，每幅1∶ 10万地形图的分幅为经差30'、纬差20'。

每幅1∶ 100万地形图划分为24行24列，共576幅1∶ 5万地形图，每幅1∶ 5万地形图的分幅为经差15'、纬差10'。

每幅1∶ 100万地形图划分为48行48列，共2304幅1∶ 2.5万地形图，每幅1∶ 2.5万地形图的分幅为经差7'30″、纬差5'。

每幅1∶ 100万地形图划分为96行96列，共9216幅1∶ 1万地形图，每幅1∶ 1万地形图分幅为经差3'45″、纬差2'30″。

每幅1∶ 100万地形图划分为192行192列，共36864幅1∶ 5千地形图，每幅1∶ 5千地形图的分幅为经差1'52.5″、纬差1'15″。

(2)正方形或矩形分幅

大比例尺地图，大多数采用正方形或矩形分幅法，它是按统一的坐标格网线整齐行列分幅。图幅大小如表4.3所示。常见的图幅大小为50cm×50cm、50cm×40cm或40cm× 40cm，每幅图中以10cm×10cm为基本方格。一般规定对1∶ 2000、1∶ 1000和1∶ 500比例尺的图幅，采用纵、横各50cm的图幅，即实地为1km2、0.25km2、0.0625km2的面积。以上均为正方形分幅，也可采用纵距为40cm、横距为50cm的分幅，总称为矩形分幅。图幅编号与测区的坐标值联系在一起，便于按坐标查找图幅。地形图按矩形分幅时，常用的编号方法有以下两种。

表4.3 几种大比例尺地图的图幅大小

①图幅西南角坐标公里数编号法。坐标公里数编号法: 即采用图幅西南角坐标公里数，x坐标在前，y坐标在后。其中1∶ 1000、1∶ 2000比例尺图幅坐标取至0.1km(如245.0-112.5)，而1∶ 500图则取至0.01km(如12.80-27.45)。以每幅图的图幅西南角坐标值x、y的公里数作为该图幅的编号，如图4.4所示为1∶ 1000比例尺的地形图，按图幅西南角坐标公里数编号法编号。其中画阴影线的两幅图的编号分别为2.5-1.5和3.0-2.5。

②基本图幅编号法。将坐标原点置于城市中心，用x、y坐标轴将城市分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个象限，如图4.5(a)所示。以城市地形图最大比例尺1∶ 500图幅为基本图幅，图幅大小为50cm×40cm，实地范围为东西250m、南北200m。行号按坐标的绝对值x=0～200m编号为1，x=200～400m编号为2……; 列号按坐标的绝对值y=0～250m编号为1，x=250～500m编号为2……; 依次类推。x，y编号中间以斜杠(/)分割，成为图幅号。

图4.4 图幅西南角坐标公里数编号法

图4.5 基本图幅编号法

如图4.5(b)所示为1∶ 500比例尺图幅在第一象限中的编号; 每4幅1∶ 500比例尺的图构成1幅1∶ 1000比例尺的图，因此同一地区1∶ 1000比例尺的图幅的编号如图4.5(c)所示。每16幅1∶ 500比例尺的图构成一幅1∶ 2000比例尺的图，因此同一地区1∶ 2000比例尺的图幅的编号如图4.5(d)所示。

5. 空间数据分幅尺寸的确定原则

空间数据分幅的大小尺寸根据实际需要而定，可以是任意尺寸，但图幅也不能太大，否则在数据传输和处理过程中易造成计算机存储空间的溢出。

图幅划分尺寸根据实际需要而定，其划分的主要原则如下:

①为提高数据库的存取效率，按存取频率较高的空间分布单元划分图幅。

②为利于数据库的更新和维护，在定义图幅分区时，应充分考虑未来地图数据更新的图形属性信息源及空间分布。

③由于数据量过大，会造成查询分析效率低下; 数据量过小，不便于数据管理。图幅划分时要保证基本存储单元具有较为合理的数据量。

6. 分层分块索引

在GIS数据模型逻辑设计过程中，按照层次结构组织空间数据，采用横向上按范围分块、纵向上按专题属性分层的数据组织管理方法，最终体现无缝的管理，将是一种有效的数据管理与组织形式。分层结构和分块结构是空间数据库从纵、横两个方间的延伸，是两种完全不同的划分方法。一个图幅可以按专题分成多个图层，也可以将一个图层按空间范围划分成多个图幅，如果需要，再将大块分为小块。在图层和图幅中，最基本的组成单位是空间对象。空间对象可以是基于矢量模型的要素，也可以是基于栅格模型的块数据。单个对象有点状地物、线状地物和面状地物三种类型，同时空间对象还包含有与之相关的属性数据，各空间对象包括对象ID、描述该空间对象的几何数据和属性数据等组成部分。空间对象的一般属性，是指空间对象的名称、编号、周长、面积等属性，而图示属性，则用来描述如何显示空间对象，包括基本的画笔、画刷、颜色、字体等信息。空间数据库是图层和图幅的逻辑再集成。那么，图层与图幅之间、图层与图层之间以及图层与要素之间又是一种什么联系呢? 它们之间的联系是用一种非常有别于属性实体的叠互式结构来表达的。只有把图层组织成图库时，图层间的关系才更清楚，通过图库可判断图层的相对叠置位置顺序和显示顺序，以及组成专题图时图层数据流之间的相互使用影响。图库由若干个空间数据图层及其相关属性数据组织而成，一个空间数据图层又是以若干个空间坐标的形式存储的。一般空间数据采用自上而下的层次模型结构，这一模型中图幅则是这个模型的最高层次，图层及其属性信息在这一模型中属于最基础层次，其逻辑组织模型如图4.6所示。上面的图层由多来源、多层次、不同类别的简单图层按一定的相互关系构造，而简单图层又由更简单的图层或基本图元组成。各层次之间是通过确定的代码相联系的，用户可以随时借助各级代码，调用全部或部分所需的图幅文件、信息层或图形要素，每一层数据有其相应的属性与空间等信息，叠瓦式层状数据的管理在物理上是分离的，层次结构不但描述方便，而且便于空间数据的有序管理。

图4.6 地理空间数据的逻辑组织模型