第1章GIS数据库-绪论1

专业课程，必修（学分）张玉东（13852030186）[e-mail]密码:666555空间数据库教材与参考书教材《地理信息系统数据库》（第二版），张新兵等，科学出版社参考书：1《数据库技术应用教程》，李彩霞等，清华大学出版社2《空间数据库管理系统系统》,程昌秀,科学出版社3《空间数据库》，吴信才，科学出版社课程体系介绍：1.“地理信息系统”古、今对人类社会的影响当代信息社会本质：大型数据库应用系统2.《地理信息系统》的内容：3.相关课程：空间数据的获取与表达空间数据库地理建模与空间分析WebGIS软件工程系统开发C语言面向对象程序设计（C++）数据结构其它：测量，遥感，等课程体系介绍：C语言（未开设，开设了VB），测量，遥感面向对象程序设计（C++）+数据结构+网络技术（未开设）地理信息系统空间数据库+地理建模与空间分析+WebGIS+软件工程系统设计与开发《空间数据库》内容：理论：1.空间数据表达（复习）2.空间查询（结构化查询语言）理论基础：关系代数与关系运算3.空间数据库的设计与实现(1)概念数据模型设计（E-R图）(2)逻辑数据模型设计(关系模型,对象关系模型)理论基础：关系代数与关系运算关系数据库的规范化理论(3)物理层的设计实践：SQLServer+arcSDE软件的使用目标要求了解数据库、数据库管理系统的相关概念。理解“空间数据表达（空间数据结构）”的相关理论知识。理解空间数据组织模型——“关系数据模型”及“对象关系模型”的相关知识。掌握“结构化查询语言”的基本知识。掌握空间数据库的“概念设计”，“逻辑设计”与“物理设计”的相关理论（关系代数与关系运算，规范化理论）与方法。掌握SQLServer数据库的安装、使用与维护的基本方法，能够进行熟练的建库与查询操作。了解空间数据库的发展趋势。计划安排学时数（上课+上机）学习方法一门实践性很强的课程，加强上机练习是学好这门的根本考核平时（出勤，课堂表现，上机技能，作业，课外表现）教学计划第1章绪论1.1数据库概述1.1.1基本概念1.1.2数据库技术的产生与发展1.1.3数据模型与数据库技术发展的4阶段1.1.4数据库系统的内部体系结构1.1.5数据库系统的外部体系结构1.2GIS数据库概述1.1数据库概述随着计算机软硬件技术的发展，管理的信息资源越来越多，越来越复杂。这时，数据库技术应运而生。数据库技术研究的问题是如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取和编辑数据，如何保证数据安全，等等。数据库技术的应用，使计算机的主要应用领域由“科学计算”转为“数据处理”。数据处理达到日常事务管理的目的，也为决策提供支持。1.1.1基本概念数据数据库数据库管理系统（DBMS）数据库应用系统数据(Data)含义：一切用以描述事物，可以被录入计算机，并被计算机识别、保存和处理的信息的总称。例：学生信息、一段声音、一个地块的信息数据库（DB）定义：一个可以长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。说明：按一定格式组织和存储最有最小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性可为多用户共享数据库管理系统（DBMS）DBMS，对DB中的数据进行科学组织和管理的软件系统。对数据库的所有管理（包括定义、查询、更新）和各种运行（完整性、并发控制、安全性，等）都要通过DBMS来实现，它是DB管理的中枢机构。数据库应用系统数据库系统数据库管理系统操作系统硬件+数据库数据库（应用）系统（DBS）1.1.2数据库技术的产生与发展数据管理的4个阶段：人工管理阶段文件管理阶段数据库系统阶段高级数据库阶段人工管理阶段20世纪50年代以前计算机主要用于数值计算外存只有纸带、卡片，没有磁带等存取设备没有操作系统及管理数据的软件数据量小，数据无结构应用程序A1应用程序A2应用程序An数据集S1数据集S2数据集Sn……数据的人工管理文件管理阶段20世纪50年代后期到20世纪60年代中期出现了磁鼓、磁盘等直接存取数据的存储设备计算机应用开始转向以事务处理为主计算机有了操作系统（包括文件管理系统），数据和程序相对独立，可单独管理。在计算机中，数据被组织成相互独立的数据文件，系统可以按照文件的名称对其进行访问和编辑处理，这就是文件系统。文件系统实现了记录内的结构化，即给出了记录内各种数据间的关系。但是，文件从整体来看却是无结构的。其数据面向特定的应用程序，因此数据共享性、独立性差，且冗余度大，管理和维护的代价也很大。应用程序A1应用程序A2应用程序An数据集S1数据集S2数据集Sn文件系统……数据的文件系统数据库系统阶段20世纪60年代后期出现了大容量磁盘数据整体结构化，共享度高、冗余低、易扩充，独立性高DBMS统一管理和控制，保证了数据的完整性、并发控制与安全性。应用程序A1应用程序A2应用程序An数据库数据库管理系统…数据的数据库管理系统新型数据库技术20世纪80年代，硬件技术飞速发展和软件技术的持续完善。DB技术与其他计算机分支技术加速融合。分布式数据库（特点：自治性、协作性、位置透明性、副本的透明性）专家数据库（人工智能+数据库技术）多媒体数据库，GIS数据库工程数据库数据仓库要在数据库中存储现实世界中的客观事物，就要对客观事物加以抽象，也就是建立数据模型。模型要反映三方面的要求：真实反映客观世界；要易于理解；要便于在计算机中实现。1.1.3数据模型与数据库技术发展的4阶段数据模型通常由三部分组成：1.数据结构2.数据操作3.完整性约束数据模型三要素1.数据结构数据结构是对象类型的集合两类对象与数据类型、内容、性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述2.数据操作数据操作对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作及有关的操作规则数据操作的类型检索更新（包括插入、删除、修改）数据模型对操作的定义操作的确切含义操作符号操作规则（如优先级）实现操作的语言数据操作是对系统动态特性的描述。3.数据的约束条件数据的约束条件一组完整性规则的集合。完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。三个世界与两级抽象现实世界信息世界（概念数据模型）计算机世界（逻辑数据模型）概念化形式化抽象过程分为两个层次，建立两种数据模型：1.1.3.1概念模型1.概念模型2.信息世界中的基本概念3.概念模型的表示方法1.概念模型概念模型的用途也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模是现实世界到机器世界的一个中间层次是数据库设计的有力工具数据库设计人员和用户之间进行交流的语言对概念模型的基本要求较强的语义表达能力，能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识简单、清晰、易于用户理解。2.信息世界中的基本概念(1)实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2)属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。(3)码（Key）唯一标识实体的属性集称为码。(4)域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。(5)实体型（EntityType）用实体名及其属性名集合来抽象和刻画。同类实体称为实体型(6)实体集（EntitySet）同型实体的集合称为实体集信息世界中的基本概念(续)(7)联系（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系实体型间联系：一对一联系（1:1）如：班级与班长之间的联系一对多联系（1:n）如：班级与学生之间的联系多对多联系（m:n）如：课程与学生之间的联系实体型间联系：如：学生和班长之间的联系3.概念结构模型的表示方法最常用的概念模型表示方法是实体-联系方法（E-R图）E-R图实体型用矩形表示，矩形框内写明实体名。学生教师属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来学生学号年龄性别姓名E-R图(续)联系联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）联系的属性：联系本身也是一种实体型，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来联系的表示方法示例班级班级-班长班长111:1联系课程选修学生mnm:n联系班级组成学生1n1:n联系联系的表示方法示例(续)职工领导1n同一实体型内部的1:n联系课程讲授教师1m多个实体型间的1:n联系参考书n综合E-R图示例学号系别姓名学生课程选修mn课程号主讲教师课程名成绩1.1.3.2逻辑结构模型它是按计算机系统的观点对数据建模。常用数据模型:1.层次模型（HierarchicalModel）2.网状模型(NetworkModel)3.关系模型(RelationalModel)4.面向对象模型(ObjectOrientedModel）关系模型是当前主流数据模型。1970年由美国IBM公司SanJose研究室的研究员E.F.Codd提出,1.层次模型是将数据组织成一对多（或双亲与子女）关系的结构（见示例）。其特点为：（1）有且仅有一个结点无双亲，这个结点即树的根；（2）其它结点有且仅有一个双亲。优点是层次和关系清楚，检索路线明确。缺点就是不能表示多对多的联系。在GIS中若采用这种层次模型将难以顾及公共点、线数据共享和实体元素间的拓朴关系，导致数据冗余度增加，而且给拓扑查询带来困难。2.网络模型在网络模型中，各记录类型间可具有任意多连接的联系（见示例）。一个子结点可有多个父结点；可有一个以上的结点无父结点；父结点与某个子结点记录之间可以有多种联系（一对多、多对一、多对多）。优点：可以描述实体间复杂的关系。缺点：表示数据间联系的指针数据项会大大增加数据量；会增加数据库建立和维护的复杂性。3.关系模型1)关系模型的基本概念2)关系数据模型的数据结构3)关系模型的数据操纵4)关系模型的完整性约束5)关系数据模型的存储结构6)关系模型的优缺点1)关系模型的基本概念关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表。元组（Tuple）表中的一行即为一个元组。属性（Attribute）表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。1)关系模型的基本概念主码（Key）表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。域（Domain）属性的取值范围。分量元组中的一个属性值。关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，…，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）2)关系数据模型的数据结构实体及实体间的联系的表示方法实体型：直接用关系表示属性：用属性名表示联系：用关系表示联系分为：一对一联系：隐含在实体对应的关系中。例如：系主任与系之间一对多联系：隐含在实体对应的关系中。例如：系与学生之间多对多联系：直接用关系表示。例如：学生与课程之间2)关系数据模型的数据结构(续）在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。学号姓名性别年龄籍贯9901李勇男20江苏9902刘晨女19山东9903王明女20北京9999张立男18陕西学生学籍记录表关系名关系元组(行)属性(列)主码域分量关系模式：学生（学号、姓名、性别、年龄、籍贯）属性名关系模型中应遵循以下条件：（1）二维表中同一列的属性是相同的；（2）赋予表中各列不同名字（属性名）；（3）二维表中各列的次序是无关紧要的；（4）没有相同内容的元组，即无重复元组；（5）元组在二维表中的次序是无关紧要的。该模型有严格的数据基础——关系代数支撑各种关系的表达和运算。关系模型概念单一，实体和实体间的联系用“关系（二维表格）”来表达。2)关系数据模型的数据结构(续）e例：3)关系模型的数据操纵查询、插入、删除、更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”4)关系模型的完整性约束实体完整性——主键约束参照完整性——外键约束用户定义的完整性——