GIS地理信息系统空间数据库

第四章地理信息系统空间数据库第一节空间数据库概述第二节空间数据库概念模型设计第三节空间数据库逻辑模型设计第四节空间数据库的物理设计第五节空间数据查询第六节空间元数据第四章地理信息系统空间数据库〖课时安排〗4课时〖教学目的要求〗1、熟悉空间数据库及其相关概念。2、掌握空间数据库模型设计方法和流程。3、了解元数据相关概念并认识空间数据库的发展动态。〖教学重点与教学难点〗重点：空间数据库的概念、设计流程、元数据难点：空间数据库的设计第四章地理信息系统空间数据库知识结构——一、什么是空间数据库？——概念、发展二、空间数据库系统由哪几部分组成？三、空间数据库设计的基本过程是什么？四、空间数据库如何加以实现和维护？第一节空间数据库概述空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总和，以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上。第一节空间数据库概述第一节空间数据库概述一、数据管理技术发展阶段经历三个阶段：人工管理：20世纪50年代中期以前。1946，第一台电脑ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美国宾夕法尼亚大学诞生。计算机主要用于科学计算，没有数据管理功能。数据与程序是一个整体，数据只为本程序所使用，不能共享。文件管理：20世纪50年代后期至60年代中期。计算机用于科学计算，也用于数据管理。数据以文件形式长期保存在磁盘上。但文件之间相互独立、缺乏联系。数据重复产生冗余。文件建立、存取、查询、插入、删除、修改等操作都要用程序实现。数据库管理：60年代后期以来。程序和数据的联系通过数据库管理系统实现。数据不再面向特定的某个或多个应用，而是面向整个应用系统。数据冗余少，实现了数据的集成和共享。用户可以使用查询语言或终端命令操作数据库。GIS应用软件空间分析功能空间数据文件属性处理功能属性数据文件GIS应用软件空间分析功能空间数据文件属性处理功能空间数据管理数据库管理属性数据库1初级式的管理模式2混合式的管理模式从文件发展到数据库经历的四个阶段GIS应用软件空间分析功能属性处理功能空间属性数据库空间数据库引擎通用数据库管理系统GIS应用软件空间分析功能属性处理功能空间属性数据库特定的空间属性数据库管理系统3扩展式的管理模式4集成式的管理模式一个完整的数据库系统应当包括三个组成部分：空间数据库应用系统空间数据库管理系统空间数据库存储系统GIS应用1GIS应用2空间数据库管理系统空间数据库存储空间数据库系统的组成二、空间数据库系统的组成（1）空间数据库存储系统空间数据库存储系统是GIS在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和。一般以一系列特定结构的文件形式存储在硬盘、光盘等介质上。（2）空间数据库管理系统指能够对介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供空间数据查询、检索、存取、维护和更新功能的软件系统。（3）空间数据库应用系统指由GIS的空间分析模型和应用模型所组成的计算机应用系统。是提供数据库访问功能的应用软件，由数据库系统、应用程序系统、用户组成的，具体包括：数据库、数据库管理系统、数据库管理员、硬件平台、软件平台、应用软件、应用界面。可以管理空间数据，运用空间数据进行分析和决策。三、空间数据库的设计空间数据库的设计的实质就是将地理空间实体以一定组织形式在数据库系统中加以表达的过程。空间数据模型是对空间实体进行描述和表达的手段。具体地说，数据库的数据结构、操作集合和完整性约束规则集合组成了数据库的数据模型空间数据库设计最终归结为空间数据模型设计。空间数据设计的过程和步骤需求分析概念设计逻辑设计物理设计数据库数据库的概念模型数据库的逻辑模型数据库的存储模型现实世界信息世界计算机世界地理现象和过程1、空间数据库设计步骤：（1）需求分析：系统分析特定的专业应用需求。（2）概念设计：把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。概念模型是对现实世界的抽象。主要描述数据及其之间的语义关系。如实体-联系模型、面向对象数据模型。模拟现实世界；便于用户理解；便于在计算机上实现；（3）逻辑设计：把概念模型利用数据库管理系统提供的工具映射为计算机中数据库管理系统所支持的数据模型。如实体-联系模型转换成关系数据库模型。（4）物理设计：数据库的逻辑模型在实际物理存储设备上加以实现，建立物理数据库。2、空间数据库设计的原则尽量减少空间数据存储的冗余量提供稳定的空间数据结构满足用户对空间数据及时访问的需求，并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果在数据元素间维持复杂的联系，以反映空间数据的复杂性支持多种多样的决策需要，具有较强的应用适用性四、空间数据库的实现和维护1、空间数据库的实现①建立实际的空间数据库结构②装入试验性的空间数据对应用程序进行测试，以确认其功能和性能是否满足设计要求，并检查对数据库空间的占有情况③装入实际的空间数据，即数据库的加载，建立起实际运行的空间数据库2、相关的其他设计空间数据库的再组织设计故障恢复方案设计安全性考虑事务控制四、空间数据库的实现和维护3、空间数据库的运行和维护维护空间数据库的安全性和完整性监测并改善数据库性能增加新的功能修改错误四、空间数据库的实现和维护一、数据管理技术发展阶段二、空间数据库系统的组三、空间数据库的设计四、空间数据库的实现和维护内容小结知识结构——一、什么传统数据模型？二、什么是语义数据模型？三、什么是面向对象数据模型？四、三种不同的概念模型的区别表现在哪些方面？第二节空间数据库概念模型设计概念模型要反映GIS需求。对现象世界认识与抽象，包括：特征描述、关系分析、过程模拟等，用概念化模型表达。概念模型必须具备丰富的语义表达能力，易于设计人员交流和理解，修改，向各种模型转换等特点。常用概念模型：（1）传统数据模型（层次模型、网状模型、关系模型）（2）语义数据模型（3）面向对象数据模型第二节空间数据库概念模型设计一、传统的数据模型层次模型、网状模型和关系模型①层次数据模型树数据结构。数据关系是一对多（1：N）。优点：层次分明、结构清晰、易理解。缺点：冗余度大，不适于表示数据的拓朴关系。②网状数据模型图数据结构。表达数据关系是多对多（M：N）。同层次模型相比：优点：压缩了数据量。缺点：数据之间的联系通过指针表示，指针数据项使数据量大大增加。③关系数据模型实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表。在数学上把这种二维表叫做“关系”。这些关系表的集合就构成了关系模型。优点：数据结构简单、清晰，能处理多对多关系。缺点：当涉及的目标很多时，查找操作时间长，效率低。二、语义数据模型语义模型的模型结构是由若干种抽象组成，用这些抽象来描述空间实体的基本语义特征，再根据语义模型结构规则把这些抽象结合起来形成模型。模型形成空间实体类别以及这些类别之间的关联。最常用语义模型是实体-联系模型（Entity-Relationshipmodel,E-R模型）E-R模型的3个语义概念：实体联系属性实体：对客观存在的起独立作用的事物的一种抽象。用矩形符号表示。包括：点(point)线（polyline）面（polygon）体（polyhedra）联系：实体间有意义的相互作用或对应关系。用菱形符号表示。包括：1:1、1:N、M:N三种类型。实体和联系之间用线段连接。属性：对实体和联系特征的描述。属性用椭圆表示。属性和实体、联系之间也用线段连接。语义数据模型——实体联系模型采用E-R模型进行数据库的概念设计步骤：设计局部的E-R模型设计全局的E-R模型全局E-R模型的优化E-R模型的优点：接近人的思想，易于理解。同时，与计算机具体的实现无关，是一种很好的数据库概念设计方法。由于E-R模型与计算机无关，所以没有一个数据库系统直接支持E-R模型的实现。所以，一般用E-R模型设计数据库的概念模型。然后，在逻辑设计阶段，把E-R模型转换成计算机能够实现的数据模型，如关系数据模型。三、面向对象的数据模型1、基本概念对象：对现实世界中一个事物的抽象或模型化表达。自身状态＋内在功能（客体数据＋对数据的操作）。一个对象具有一个唯一的名称标识。类：多个对象共同特征的抽象概括。实例：某类的一个具体对象。消息：对象之间相互请求或相互协作的唯一途经和通信形式。方法：对象收到消息后应采取的动作系列的描述。2、封装和消息传递封装性：系统把属性值和方法封装在一个对象中，对象内部的信息是隐藏的。封装的目的在于使对象的使用和现实分开，使用者不必知道方法操作实现的细节，只需用消息来访问对象。这种数据与操作统一的建模方法增强了系统的可维护性和易修改性。三、面向对象的数据模型3、继承及类之间的层次关系曲线对象类曲面对象类直线段对象类多边形对象类超类或基类子类或派生类对象类的单继承和多继承及其层次结构通过继承，使得某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特征和功能。继承包括单继承和多继承。4、功能重载和多态性多边形对象Draw(mapfile)Draw(database)多边形对象Draw弧段对象Draw空间对象Draw图形文件数据库面向对象的功能重载和多态重载：这实现特定功能的方法不仅以名称来区分，还可以用它所带来的的参数来区别；多态：指同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式。5、概括和聚集空间对象类多边形对象类弧段对象类图层对象类多边形对象类弧段对象类1+1+is-part-ofis-a对象类的概括与聚集概括：把一组相同特征和操作的类归纳为在一个更一般的超类中；聚集：反映了嵌套对象的概念，即是由一些其他对象组成的，用来描述更高层次对象的一种形式。6、空间数据库对象模型ORM：即对象角色建模，是运用面向对象的原理进行数据库概念建模的软件工程方法。ORM图：用图形符号的形式表现对象角色建模的结果。对象类型：表示实际对象或概念的类型①实体对象类型：由实际事物组成的对象类型②值对象类型：由数字或字符串组成的数字类型谓词：描述由对象类型扮演的角色的事实的一部分约束：唯一性约束，强制性约束，用来规定数据的关系7、ORM图PolygonSpatial_ObjPolygon_ID具有/属于ORM图一个事实的示例知识结构——一、什么传统数据模型？二、什么是语义数据模型？三、什么是面向对象数据模型？四、三种不同的概念模型的区别表现在哪些方面？内容小结第三节空间数据库逻辑模型设计知识结构——一、什么关系数据模型？二、关系数据库模型的规范化体现？三、E-R模型转换为关系数据模型的方式？一、关系数据模型在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表，表具有固定的列数和任意的行数，在数学上称为“关系”。二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应于表中的一行，相当于通常的一个记录；表中的列表示属性，相当于通常记录中的一个数据项。这种满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。第三节空间数据库逻辑模型设计二、关系数据库模型中数据的完整性规则1.主键：用以保证表中每个记录互不相同，一个表只能有一个主键。2.实体完整性规则：一个表的主键值不能重复，也不能为空。3.参照完整性规则：“一对多”关系中，“一”表的主键字段必然会出现在“多”表中，成为联系两个或多个表的纽带。“多”表中出现的这个字段被称为外键。4.域的完整性规则：将某些字段的值限制在合理的范围内。三、关系数据库模型中关系模式的规范化1.第一范式：每个记录的每个字段都只能包含一个数据。学号姓名班级0001小红高三年1班学号姓名年级班级0001小红高三年1班eg:班级：高三年1班，应改为2个字段，一个年级、一个班级，才满足第一范式不满足第一范式改成eg班级：高三年1班，应改为2个字段，一个年级、一个班级，才满足第一范式。三、关系数据库模型中关系模式的规范化2.第二范式：表中任意一个字段完全依赖于同一个主字段。eg:比如不符合第二范式学生证名称学生证号学生证办理