3空间数据模型.

第三讲空间数据模型1、模型一、实体模型客观世界理想化模型化揭示出控制客观事物演变的基本规律为利用和改造客观世界服务（2）模型的含义模型是现实世界事物本质的反映或科学的抽象或简化，能反映事物的固有特征及其相互联系或运动变化规律。（3）模型与对象的关系模型是对象的一种抽象；对象是模型的基础模型本身和对象间存在某种相似性（1）模型的作用2、实体一、实体模型实体：客观存在并可相互区别的事物。将实体具有的特性叫属性。实体表示的是一类事物。实体标识符：如果某个属性或属性的组合能惟一的表识出实体中的每一行，则选择该属性或属性的组合作为实体标识符。联系：实体不是孤立的，实体与实体之间有联系。1对1，1对N，M对N。E-R模型数据库设计就是将现实世界的数据组织成数据库管理系统所采取的数据模型。3、实体模型一、实体模型实体模型：利用实体内部的联系和实体间的联系来描述客观事物及其联系，称实体模型。实体模型的意义：是设计数据库的先导，是确定数据库包含哪些信息内容的关键。（1）对象与属性对象：地理实体类型/类别，如道路、机场等属性：对象的某种特性，如道路类型、宽度、路面质量等对象与属性的关系：实体具有属性；属性是表示实体的某种特征。一个对象具有某些属性，若干属性又描述某个对象；一个对象具有的某一属性，又可能是另一些属性描述的对象。3、实体模型一、实体模型（2）个体与总体个体——单个的能互相区别的特定实体总体——泛指某一类个体组成的集合，又称“实体集”（3）实体之间的联系实体内部各属性之间的联系，反映在数据上是记录内部的联系实体之间的联系，反映在数据上则是记录之间的联系。一对一联系3、实体模型一、实体模型一对多联系多对多联系3、实体模型一、实体模型（4）实体模型图实体模型图作用：直观地表示模式的内部联系。实体模型图组成：实体、属性、联系矩形框→实体椭圆→实体的属性1、层次模型的概念二、层次模型层次模型：用树形结构来表示实体间联系的模型称层次模型。2、空间关系的层次模型表示二、层次模型二、层次模型3、层次模型的特点一般只能表示实体间一对多的联系能较好反映空间数据的属性特征层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除；4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。二、层次模型4、层次模型用于GIS地理数据库的局限性网络模型：用网络数据结构表示实体与实体间联系的模型。三、网络模型1、网络模型的概念数据间没有明确的从属关系多对多的关系2、网络模型的基本特征网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共享特性。表示关系复杂的地理数据和具有网络特征的地理实体效果较好。用于GIS地理数据库的主要问题如下：1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询和定位困难。网状结构数据指针比较复杂，占据大量存储空间，数据更新较为繁琐。2）不直接3）基本不具备演绎功能和操作代数基础。3网状模型用于GIS地理数据库的局限性三、网络模型四、关系模型1、关系模型的相关概念关系模型是根据数学概念建立的，它是将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，数学上称为“关系”，关系就是一个具有系列特点的二维表格。关系的表示形式：二维表结构，是同类实体的各种属性的集合。元组：每个实体对应于表中的一行，在关系中称元组，即一个记录。域（列、字段）：本表中的列表示属性，叫做域，相当于通常记录中的一个数据项。框架（模式）：二维表的表头，即表格的格式是关系内容的框架，框架也叫模式，包括关系名、属性名、主关键字等。2、关系模型对地理实体的表示四、关系模型3、关系模型对地理实体的表示空间数据属性的关系表表示四、关系模型关系模型主要优点是：数据结构灵活、清晰，可以通过数学运算进行各种查询、计算和修改；数据描述具有较强的一致性和独立性。但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为：1）用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解。2）空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系。4关系模型用于GIS地理数据库的局限性四、关系模型3）一般RDBMS都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。4）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能。5）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息。四、关系模型（1）非结构化大型对象（LOB-LargeObject）的引进在关系模型中附加非结构化内容，用于存贮大量变长字符串和二进制数据，可以对诸如文本数据、图象数据、全动感的视频信息、声音波形等等这类大量的非结构化数据进行存储和管理，于是在目前一些大型的RDBMS（如DB2、Oracle等）中，增加了大型对象这种数据类型。（2）分布式数据库在集中式数据库系统成熟技术的基础上产生和发展了分布式数据库系统，分布式数据库系统是数据库技术和网络技术两者相互渗透和有机结合的结果。一些商品化的产品正在研制或已经推出。如Oracle、Informix、Sybase等等。（3）对象特性的融入关系数据库Oracle、Sybase、DB2、Informix都在积极努力，使自己的关系型产品增加一些面向对象的成分。5关系模型的进一步发展四、关系模型五、面向对象数据模型（一）面向对象模型的简介面向对象（object-oriented，oo）的概念起源于程序设计语言——面向对象的编程语言(简称OOPL)，强调对象概念的统—，引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语。基本出发点就是以“对象”作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。五、面向对象数据模型（二）面向对象的基本概念对象(Object)含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。如一个城市、一棵树均可作为地理对象。具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态——静态属性——数据；具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。—作用、功能—函数、方法。对象的划分：根据对象的共性，及对它的研究目的来划分，与具体的目的、性质相联系，不同的目的就会有不同划分。五、面向对象数据模型对象对象的定义：一个对象Object可定义成一个三元组：Object=(ID，S，M)ID为对象标识；M为方法集；S为对象的内部状态，它可以直接是一属性值，也可以是另外一组对象的集合，因而它明显地表现出对象的递归。（二）面向对象的基本概念五、面向对象数据模型类（Classification）共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类，具有相同属性和操作的对象组合在一起。类是对象集合的抽象。属于同一类的所有对象共享相同的属性项和操作方法，每个对象都是这个类的一个实例，即每个对象可能有不同的属性值。如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。（二）面向对象的基本概念五、面向对象数据模型概括（Generalization）在定义类型时，将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成一种更一般的超类。例如，将GIS中的地物抽象为点状对象、线状对象、面状对象以及由这三种对象组成的复杂对象，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。（二）面向对象的基本概念一个类可能是超类的子类，也可是几个子类的超类。所以，概括可能有任意多层次。概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。这需要一种能自动地从子类的属性和操作中获取超类对象的属性和操作的机制，即继承机制。五、面向对象数据模型联合（Association）在定义对象时，将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来，为了避免重复，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。（二）面向对象的基本概念如西安市是新城区、雁塔区、碑林区等区的联合。五、面向对象数据模型聚集（Aggregation）聚集是将几个不同特征的简单对象组合成一个复杂的对象。每个不同特征的对象是该复合对象的一部分，它们有自已的属性描述数据和操作，这些是不能为复合对象所公用的，但复合对象可以从它们那里派生得到一些信息。例如，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物组成复杂地物。如，学校的各种教学楼，聚集成教学楼；教学楼、实验楼、办公楼、宿舍等，聚集成学校（二）面向对象的基本概念五、面向对象数据模型实例被抽象的对象，类的一个具体对象，称为实例，如长江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。类---申请实例---成为具体对象。类实例1实例2（二）面向对象的基本概念五、面向对象数据模型继承继承性是父类和子类之间共享数据和方法的机制。这是类之间的一种关系，在定义和实现一个类的时候，可以在一个已经存在的类的基础之上来进行，把这个已经存在的类所定义的内容作为自己的内容、并加入若干新的内容。下图表示了父类A和它的子类B之间的继承关系，箭头从子类B指向父类A。子类B由继承部分(C)和增加部分(D)组成。AB父类子类：C继承部分，D：增加部分DC（二）面向对象的基本概念复杂对象的某些属性值不单独存于数据库中，而由子对象派生或提取，将子（成员）对象的属性信息强制地传播给综合复杂对象。成员对象的属性只存储一次，保证数据一致性和减少冗余。如武汉市总人口，由存储在各成员对象中的各区人口总和。点（弧段）面传播五、面向对象数据模型（二）面向对象的基本概念继承服务于概括，传播作用于联合和聚集；继承是从上层到下层，应用于类，而传播是自下而上，直接作用于对象；继承包括属性和操作，而传播一般仅涉及属性；继承是一种信息隐含机制，而传播是一种强制性工具。五、面向对象数据模型（二）面向对象的基本概念继承与传播的区别：六、面向对象地理数据模型空间地物点状地物线状地物面状地物复杂地物电视塔桥梁车站道路水管电力线建筑物湖公园矿山大学县1、面向对象的几何数据模型在GIS中建立面向对象的数据模型时，对象的确定还没有统一的标准，但是，对象的建立应符合人们对客观世界的理解，并且要完整地表达各种地理对象，及它们之间的相互关系。六、面向对象地理数据模型2、面向对象的几何数据模型空间地物复杂地物简单地物面域弧段结点面状地物线状地物点状地物如图所示，一个面状地物是由边界弧段和中间面域组成，弧段又涉及到结点和中间点坐标。或者说，结点的坐标传播给弧段，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物聚集或联合组成复杂地物。3、拓扑关系与面向对象模型将每条弧段的两个端点抽象出来，建立单独的结点对象类型，而在弧段的数据文件中，设立两个结点子对象标识号，即用“传播”的工具提取结点文件的信息。面标识弧段标识……弧段标识起结点终结点中间点串…………结点标识XYZ…………面域文件弧段文件结点文件拓扑关系与数据共享这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与结点的拓扑关系。同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致。六、面向对象地理数据模型六、面向对象地理数据模型4、面向对象的属性数据模型关系数据模型和RDBMS基本上适应于GIS中属性数据的表达与管理。若采用面向对象数据模型，语义将更加丰富，层次关系也更明了。可以说，面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能基础上，增加面向对象数据模型的封装、继承和信息传播等功能。：职员库操作属性职员编号工资姓