第4章_地图数据模型

从所有候选码中选定一个用来区别同一实体集中的不同实体，称作主码。一个实体集中任意两个实体在主码上的取值不能相同。联系(Relationship)：实体之间的相互关联。联系的种类实体之间的联系的数量，即一个实体通过一个联系集能与另一实体集相关联的实体的数目。结构数据模型结构数据模型的三要素：数据结构数据操作数据的约束条件1.数据结构描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型。包括：数据本身：数据之间的联系在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型。2.数据操作数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言。.数据的约束条件数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容。三、结构数据模型示例层次模型网状模型关系模型1.层次模型用树结构表示实体之间联系的模型叫层次模型。树由节点和连线组成，节点代表实体型，连线表示两实体型间的一对多联系。优点：结构简单，易于实现。缺点：支持的联系种类太少，只支持二元一对多联系。数据操纵不方便，子结点的存取只能通过父结点来进行。IBM的IMS数据库，1969年研制成功2.网状模型是一个满足下列条件的有向图：可以有一个以上的节点无父节点。至少有一个节点有多于一个的父节点（排除树结构）。表达的联系种类丰富。结构复杂。关系中数据项之间存在两种依赖关系：函数依赖和多值依赖。范式范式是对关系的不同数据依赖程度的要求。通过模式分解将一个低级范式转换为若干个高级范式的过程称作规范化（概念的纯粹化）。通常我们按属性间情况来区分关系规范化的程度为：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、修正的第三范式（BCNF）、第四范式（4NF）。范式之间的关系如下图所示：一、RDBMS的局限表达能力有限RDB的基本结构是二维表，是一种平面结构，无法表达嵌套的信息结构。在CAD等系统中，嵌套大量存在，如机器由很多部件构成，每个部件又由多个零件构成。嵌套的平面化可以通过模式分解和连接运算实现。连接在关系数据库中是十分低效的运算。类型有限RDB的类型是系统内置的，用户只能使用固定的几种。新的应用需要灵活的类型机制，DBMS应该能够支持用户定义适合自己应用的数据类型。类型：数据抽象的一种方式，是一组值的集合以及在这组值上的操作。提供一组内在的数据类型，如整数、字符等。提供定义新的数据类型的手段。数组：聚合同类型数据；结构：聚合不同类型数据。类型检查结构与行为的分离RDB中存储的只是实体的数据，而实体的行为则交由应用程序来编码实现。现实世界中的实体除了数据结构之外，同时还有其自身的行为。如学生应该具有选课的行为。实体的行为也是实体的属性，应当同实体紧密结合，由应用来维护是不适合的。版本与长事务多版本支持要求DBMS能够支持数据的多个版本，并建立自然、方便的管理机制长事务当前的有些应用需要锁住某些数据一整天甚或几个星期，以便进行复杂的设计只有版本问题解决得好，长事务的处理才有希望。二、面向对象技术与数据库技术结合1.面向对象方法基本思想：从现实世界中客观存在的事物（对象）出发，以尽可能接近人类思维的方式建立模型，对客观事物进行结构模拟和行为模拟。基本概念：对象、属性、方法、消息、封装、类、继承、多继承等。应用的新需求：模拟复杂对象模拟对象的复杂行为面向对象技术给数据库系统带来的好处：复杂对象构造能力使得对于客观世界的模拟能力强，方式自然。封装性向开发人员和最终用户屏蔽复杂性和实现细节。继承性使得数据库设计和应用编程成为可重用的。扩充关系数据库系统持久化程序设计语言面向对象的数据库系统数据库系统工具包/部件如何将面向对象概念与数据库系统结合起来？两条途径：将面向对象概念作为概念设计阶段工具将面向对象概念结合到数据库操纵语言中扩展SQL在SQL中增加复杂类型和面向对象特征。持久化程序设计语言对某种现行的面向对象程序设计语言进行扩展。3W----WhoWillWin？如何将面向对象概念与数据库系统结合起来？两条途径：将面向对象概念作为概念设计阶段工具将面向对象概念结合到数据库操纵语言中扩展SQL在SQL中增加复杂类型和面向对象特征。持久化程序设计语言对某种现行的面向对象程序设计语言进行扩展。三、DBMS分类矩阵DBMS有哪些不足？代价高性能低空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。空间实体间的空间关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系：点—点：重合；分离；一点为其他诸点的集合中心；—点为其他诸点的地理中心，等等。点—线：点在线上；线的端点（起点或终点）；线的交点；点与线的分离（可1NF2NF3NFBCNF4NF消除决定因素非键的非平凡函数依赖消除非主属性对键的部分函数依赖消除非主属性对键的传递函数依赖消除主属性对键的部分和传递函数依赖消除非平凡且非函数依赖的多值依赖对象继承Vs对象包含ABCABCis-ais-part-of类B中的一个对象也是类A中的一个对象，它继承了类A的所有属性，同时具有自己的特殊属性，以及对所继承的方法提供自己的实现途径。类A中的一个对象包含类B中的一个对象。A与B的属性不必类似，也不必相互继承对方的属性。类A中的一个对象只能通过类B的方法来访问B中的变量。计算点到线的距离），等等。点—多边形：点在多边形内（可计数和统计）；点为多边形的几何（地理）中心；点在多边形边界上；点在多边形外部，等等。线—线：重合；相接（首尾相接和顺序相接）；相交；相切；并行，等等。线—多边形：多边形包含线（可计算多边形内线的密度）；线穿过多边形；线环绕多边形；线与多边形分离，等等。多边形—多边形：包含；重合；相交（可以划分子多边形，进行逻辑与、或、非和异或等计算）；相邻；分离（计算距离、引力等），等等。上述空间关系又可以分成三类：拓扑空间关系方位空间关系度量空间关系拓扑空间关系拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面一个面的连接性非拓扑属性两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积方位空间关系方位空间关系指的是空间实体之间的上下、前后、左右、东西南北等顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形－多边形、多边形－线、多边形－点、线－线、线－点、点－点之间的方位空间关系。点－点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的夹角即可。多边形－点、线－点方位空间关系也可以在一定程度上简化为点－点方位空间关系。其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决办法。度量空间关系基本度量空间关系指的是空间实体之间的距离，在此基础上，还可以构造出实体群之间的度量关系。距离度量有不同的计算方式：大地测量距离、曼哈顿距离（经度差加上纬度差）、时间距离等。此外，还有其他的一些空间量算的指标：几何指标：位置、距离、面积、体积形状、方位等自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等四、地名数据的表示地名可作为地图要素的属性内容表示，但因地名数据本身具有分类分级特点及更为广泛的用途，因而采用单独的编码系统表示。地名用地名编码和汉字代码共同组成。地名可依据其注记的地图要素分类，汉字代码应使用国标，如GB2312-80。一、栅格结构二、矢量结构三、矢量到栅格的转换四、栅格到矢量的转换这里我们主要介绍针对栅格模型和对象模型的空间数据结构，它们是矢量数据结构和栅格数据结构。矢量结构用点、线、面表现地理实体，其空间位置由所在的坐标参考系中的坐标定义。栅格结构空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）；地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义；栅格的值代表该位置的状态；栅格的大小代表空间分解能力。2.栅格结构组织方式：以像元为记录的序列，可节省存贮空间，如图；以层为基础，每层以像元为记录序列，形式简单，如图；以层为主，每层以多边形为序列，可节省用于存贮属性的空间，如图。栅格结构的数据压缩行程编码一种广泛应用于数字图像处理的方法。这种方法是对图像逐行扫描，不断比较相邻栅格中图像的灰度值，将相邻像元灰度值相同的格网聚成一组，称为一种类型，相应格网的数量称为该类型的长度类型终止编码与行程编码类似，不同之处是它不表示某种类型像素的数量，而是表示该类型像素在一行中最后一列相对于该行首列的位置。终列计数与上述第2种方法类似，表示某类像素的特征值和其一行中最后一列相对该行首列的位置，但行数不表示，只是用–1标志一行的结束。这种方法较前两种方法能压缩更多的存贮空间。类型终止编码用两个整数表示一种类型，一个是类型特征值，一个是类型结束点在栅格矩阵中的位置。这种方法压缩效果更佳，检索方便，但表示栅格矩阵位置的整数值可能很大。四叉树编码定义：将22像元阵列连续地进行4等分，一直分到正方形的大小正好与像元的大小相等为止；优点：容易而有效地计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树分级较多，分辨率也高；栅格四叉树的转换比其它压缩方法容易；多变形中嵌套异类小多边形的表示较方便。缺点：转换的不定性四叉树编码定义：将22像元阵列连续地进行4等分，一直分到正方形的大小正好与像元的大小相等为止；优点：容易而有效地计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树分级较多，分辨率也高；栅格四叉树的转换比其它压缩方法容易；多变形中嵌套异类小多边形的表示较方便。缺点：转换的不定性二、矢量结构点实体由单独一对坐标定位的一切地理或制图实体，及属性。线实体直线：起、止点坐标，属性。弧、链：n个坐标对的集合，属性，指针系统。面实体无拓扑结构的点、线、面的矢量结构数据组织，如图；具有拓扑结构的矢量结构，如图；TIN（TriangleIrregularNetwork）结构的拓扑表达，如图。栅格结构优点数据结构简单；叠加操作易实现，更有效；能有效表达空间可变性；便于做图象的有效增加。缺点数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决；难以表达拓扑关系；图形输出不美观，线条有锯齿。矢量结构优点提供更严密的数据结构；提供更有效的拓扑编码，因而对需要拓扑信息的操作更有效如网络分析；图形输出美观，接近于手绘。缺点比栅格数据结构复杂；叠加操作没有栅格有效；表达空间变化能力差；不能像数字图象那样做增强处理。三、矢量到栅格的转换选择单元的大小和形状；将点和线实体角点的笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置的矩阵中；利用单根根扫描线（沿行或列）或一组相连接的扫描线去测试线性要素与单元边界的交叉点，并记录穿过交叉点的栅格单元个数；测试多边形时，先测试角点，再对剩下线段进行二次扫描，到达边界位置时，记录其位置与属性值。四、栅格到矢量的转换拓扑转换保持栅格表达的连通性与邻接性。转换物体正确的外形点：某个单元的值与周围不同，代表点；线：具有相同属性值的连续的单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；面：将所有单元编码，将具有同一属性的单元归为一类，再检测两类不同属性的边界作为多边形的一条边。一、空间数据分层的方法二、空间数据的组织三、空间数据的管理一、空间数据分层的方法按专题分层按时间序列分层按地面垂直高度二、空间数据的组织由专题和分幅组成面向对象的组织三、空间数据的管理空间数据的管理：为了使空间数据的空间特征和属性特征统一而采取的管理手段。文件模式混合模式关系数据库模式对象关系数据库模式面向对象数据库模式数据区要素层1要素层2要素层n简单要素复合要素点要素线要素面要素数据块1数据块2数据块n地理空间123456实体坐标标识码x,y坐标对11,55,525,58,538,510,545,94,83,74,6