第二章：环境空间数据库

2020/1/21青海大学生物科学系牛海林1EGIS应用软件空间及属性数据文件EGIS应用软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库EGIS应用软件空间及属性数据库用户设计的数据库EGIS应用软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS第二章环境空间数据库2020/1/21青海大学生物科学系牛海林2建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。环境信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。定义：数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据集合。2.1数据库概述2020/1/21青海大学生物科学系牛海林3计算机对数据的管理经过了三个阶段：程序管理阶段计算机中没有支持数据管理的软件。数据组织面向应用，数据不能共享，数据重复。在程序中要规定数据的逻辑结构和物理结构，数据与程序不独立。数据处理方式——批处理。文件管理阶段上世纪50年代中期到60年代中期，大容量存储设备（如硬盘）的出现，推动了软件技术的发展，而操作系统的出现标志着数据管理步入一个新的阶段。在文件系统阶段，数据以文件为单位存储在外存，且由操作系统统一管理。操作系统为用户使用文件提供了友好界面。文件的逻辑结构与物理结构脱钩，程序和数据分离，使数据与程序有了一定的独立性。用户的程序与数据可分别存放在外存储器上，各个应用程序可以共享一组数据，实现了以文件为单位的数据共享。数据库管理阶段从文件系统发展到数据库系统，这在信息领域中具有里程碑的意义。在文件系统阶段，人们在信息处理中关注的中心问题是系统功能的设计，因此程序设计占主导地位；而在数据库方式下，数据开始占据了中心位置，数据的结构设计成为信息系统首先关心的问题，而应用程序则以既定的书结构为基础进行设计。2020/1/21青海大学生物科学系牛海林4数据库的主要特征数据库方法与文件管理方法相比，具有更强的数据管理能力。数据库具有以下主要特征：实现数据共享数据集中控制特征（包括复杂模型）数据冗余度小的特征（重复度）数据独立性特征数据的一致性和可维护性数据保护特征（故障恢复）2020/1/21青海大学生物科学系牛海林5数据库的系统结构数据库是一个复杂的系统。数据库的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和用户级。物理级：数据库最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集合(物理数据库)。它是由物理模式(也称内部模式)描述的。概念级：数据库的逻辑表示，包括每个数据的逻辑定义以及数据间的逻辑联系。它是由概念模式定义的，这一级也被称为概念模型。用户级：用户所使用的数据库，是一个或几个特定用户所使用的数据集合(外部模型)，是概念模型的逻辑子集。它由外部模式定义。2020/1/21青海大学生物科学系牛海林6数据库中数据组织方式数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。2、记录：由若干相关联的数据项组成。文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。2020/1/21青海大学生物科学系牛海林7数据间的逻辑联系数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。1、一对一的联系(1：1)2、一对多的联系(1：N)3、多对多的联系(M：N)ABABABABABAB2020/1/21青海大学生物科学系牛海林82.2传统数据库系统的数据模型数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。2020/1/21青海大学生物科学系牛海林9层次数据库模型它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。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。ⅠⅡ123456abcdefgMMⅠⅡabcdefg1223344134355664c2020/1/21青海大学生物科学系牛海林10层次数据库模型优点：存取方便且速度快结构清晰，容易理解数据修改和数据库扩展容易实现检索关键属性十分方便缺陷：结构呆板，缺乏灵活性同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）不适合于拓扑空间数据的组织2020/1/21青海大学生物科学系牛海林11网络数据库模型网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。系名化工系教师数学生数研究生系名建工系教师数49学生数257研究生0学校名称青海大学系名生科系教师数27学生数300研究生0系名教师数学生数研究生系名教师数学生数学号002312姓名张三年级3籍贯广东系名教师数学生数研究生系名教师数学生数教师号66姓名牛海林年龄28职称讲师系名教师数学生数研究生系名教师数学生数课程号A01课程名GIS周学时4学分5系名教师数系名学号002312课程号A012020/1/21青海大学生物科学系牛海林12网络数据库模型优点：•能明确而方便地表示数据间的复杂关系•数据冗余小缺陷：•网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。•需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大•数据的修改不方便（指针必须修改）2020/1/21青海大学生物科学系牛海林13关系数据库模型关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。MⅠⅡⅠⅡacbecfgdⅠa12ⅠⅠⅠⅡⅡⅡgb25f463e356d41c34地图多边形线y6x66t5x55y4x44y3x33y2x22y1x11点ⅠⅡ123456abcdefgM2020/1/21青海大学生物科学系牛海林14关系数据库模型优点：结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求能搜索、组合和比较不同类型的数据增加和删除数据非常方便缺陷：数据库大时，查找满足特定关系的数据费时对空间关系无法满足2020/1/21青海大学生物科学系牛海林15标准DBMS存储空间数据的局限性空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定在存储和维护环境空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷一般都难以实现对环境空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作不能支持复杂的图形功能单个环境地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护2020/1/21青海大学生物科学系牛海林162.3EGIS中环境空间数据库的组织方式EGIS应用软件空间及属性数据文件EGIS应用软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库EGIS应用软件空间及属性数据库用户设计的数据库EGIS应用软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS2020/1/21青海大学生物科学系牛海林17文件关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。EGIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库EGIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议EGIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言2020/1/21青海大学生物科学系牛海林18扩展关系数据库管理方案在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储GIS软件：TIGER，Geo++、GeoTropics等EGIS界面空间数据处理RDBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）2020/1/21青海大学生物科学系牛海林19全关系数据库管理方案属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作EGIS软件：System9，SmallWorld、Geovision等EGIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间数据库关系表二进制块2020/1/21青海大学生物科学系牛海林20不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、面）,将产生不同的Shape文件，同时对每一个要素自动产生一个特征码（FeatureID）。图层i图层j点文件i线文件i面文件i点文件j线文件j面文件jShape文件2020/1/21青海大学生物科学系牛海林21用户可以不使用特征码而自己设定标识码XXXXXXXXXX大类码小类码一级代码二级代码要素类型识别位2020/1/21青海大学生物科学系牛海林222.4面向对象数据库系统面向对象（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，采用动态联编和单继承性机制。它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。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。2020/1/21青海大学生物科学系牛海林23对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操作组合而成。类：是对多个相似对象共同特性的描述。消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。实例：是由一特定类描述的具体对象。元类：是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类的实例是对象。对象具有封装性和继承性，涉及到分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联合（association）、继承（inheritance）和传播（propagation）等概念。基本概念2020/1/21青海大学生物科学系牛海林24基本概念协议：是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可以为外界。封装：是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实际内容。继承：从某类对象得到另一类对象的特征和能力。如饭店子类从建筑物类继承地址、建筑日期等属性。引入类的继承，就出现了类的层次结构，也就有了超类（基类）、子类（派生类）的概念。2020/1/21青海大学生物科学系牛海林25基本概念概括：是把一组具有相同特征和操作的对象归纳在一个更一般的超类中。联合：是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集合对象。如西安市是新城区、雁塔区、碑林区等区的联合。又联合关系的对象叫成员。聚集：是类似于联合的抽象化概念，不强调整个对象的具体细节，例如建筑物是墙、窗、门、房顶和楼板几部分的聚集。传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。例如西安市大学生数量可以由各个大学的