1、.,1,第四章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫,.,2,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述 第二節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概念模型設計 第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫邏輯模型設計 第四節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫的物理設計 第五節(jié) 空間數(shù)據(jù)查詢 第六節(jié) 空間元數(shù)據(jù),第四章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫,.,3,課時安排 4課時 教學目的要求 1、熟悉空間數(shù)據(jù)庫及其相關概念。 2、掌握空間數(shù)據(jù)庫模型設計方法和流程。 3、了解元數(shù)據(jù)相關概念并認識空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展動態(tài)。 教學重點與教學難點 重點：空間數(shù)據(jù)庫的概念、設計流程、元數(shù)據(jù) 難點：空間數(shù)據(jù)庫的設計,第四章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫,.,4,知識結構 一、什么是空間數(shù)據(jù)庫？ 概念、發(fā)展 二、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由哪

2、幾部分組成？ 三、空間數(shù)據(jù)庫設計的基本過程是什么？ 四、空間數(shù)據(jù)庫如何加以實現(xiàn)和維護？,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,.,5,空間數(shù)據(jù)庫：是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質存儲的與應用相關的地理空間數(shù)據(jù)的總和，以一系列特定結構的文件形式組織后存儲在介質上。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,.,6,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述 一、數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展階段 經歷三個階段： 人工管理：20世紀50年代中期以前。1946，第一臺電腦ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）在美國賓夕法尼亞大學誕生。計算機主要用于科學計算，沒有數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)與程序是一個整體

3、，數(shù)據(jù)只為本程序所使用，不能共享。,.,7,文件管理：20世紀50年代后期至60年代中期。計算機用于科學計算，也用于數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)以文件形式長期保存在磁盤上。但文件之間相互獨立、缺乏聯(lián)系。數(shù)據(jù)重復產生冗余。文件建立、存取、查詢、插入、刪除、修改等操作都要用程序實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)庫管理：60年代后期以來。程序和數(shù)據(jù)的聯(lián)系通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)不再面向特定的某個或多個應用，而是面向整個應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)冗余少，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成和共享。用戶可以使用查詢語言或終端命令操作數(shù)據(jù)庫。,.,8,GIS應用軟件,空間分析功能,空間數(shù)據(jù) 文件,屬性處理功能,屬性數(shù)據(jù) 文件,GIS應用軟件,空間分析功能,空間數(shù)據(jù) 文

4、件,屬性處理功能,空間數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)庫管理,屬性數(shù)據(jù)庫,1 初級式的管理模式,2 混合式的管理模式,從文件發(fā)展到數(shù)據(jù)庫經歷的四個階段,.,9,GIS應用軟件,空間分析功能,屬性處理功能,空間屬性數(shù)據(jù)庫,空間數(shù)據(jù)庫引擎,通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),GIS應用軟件,空間分析功能,屬性處理功能,空間屬性數(shù)據(jù)庫,特定的空間屬性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),3 擴展式的管理模式,4 集成式的管理模式,.,10,一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應當包括三個組成部分：,空間數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng),GIS應用1,GIS應用2,空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)庫存儲,空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成,二、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成,.

5、,11,（1）空間數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng) 空間數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)是GIS在計算機物理存儲介質上存儲的與應用相關的地理空間數(shù)據(jù)的總和。 一般以一系列特定結構的文件形式存儲在硬盤、光盤等介質上。,.,12,（2）空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 指能夠對介質上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義，提供空間數(shù)據(jù)查詢、檢索、存取、維護和更新功能的軟件系統(tǒng)。,.,13,（3）空間數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng),指由GIS的空間分析模型和應用模型所組成的計算機應用系統(tǒng)。是提供數(shù)據(jù)庫訪問功能的應用軟件，由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應用程序系統(tǒng)、用戶組成的，具體包括：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員、硬件平臺、軟件平臺、應用軟件、應用界面。,可以管理空間數(shù)

6、據(jù)，運用空間數(shù)據(jù)進行分析和決策。,.,14,三、空間數(shù)據(jù)庫的設計,空間數(shù)據(jù)庫的設計的實質就是將地理空間實體以一定組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程。 空間數(shù)據(jù)模型是對空間實體進行描述和表達的手段。具體地說，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結構、操作集合和完整性約束規(guī)則集合組成了數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)庫設計最終歸結為空間數(shù)據(jù)模型設計。,.,15,空間數(shù)據(jù)設計的過程和步驟,需求分析,概念設計,邏輯設計,物理設計,數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫的 概念模型,數(shù)據(jù)庫的 邏輯模型,數(shù)據(jù)庫的 存儲模型,現(xiàn)實世界,信息世界,計算機世界,地理現(xiàn)象 和過程,.,16,1、空間數(shù)據(jù)庫設計步驟： （1）需求分析：系統(tǒng)分析特定的專業(yè)應用需求。 （

7、2）概念設計：把用戶的需求加以解釋，并用概念模型表達出來。概念模型是對現(xiàn)實世界的抽象。主要描述數(shù)據(jù)及其之間的語義關系。如實體-聯(lián)系模型、面向對象數(shù)據(jù)模型。,模擬現(xiàn)實世界； 便于用戶理解； 便于在計算機上實現(xiàn)；,.,17,（3）邏輯設計：把概念模型利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的工具映射為計算機中數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型。如實體-聯(lián)系模型轉換成關系數(shù)據(jù)庫模型。 （4）物理設計：數(shù)據(jù)庫的邏輯模型在實際物理存儲設備上加以實現(xiàn)，建立物理數(shù)據(jù)庫。,.,18,2、空間數(shù)據(jù)庫設計的原則 盡量減少空間數(shù)據(jù)存儲的冗余量 提供穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)結構 滿足用戶對空間數(shù)據(jù)及時訪問的需求，并能高效地提供用戶所需的空間數(shù)據(jù)查詢

8、結果 在數(shù)據(jù)元素間維持復雜的聯(lián)系，以反映空間數(shù)據(jù)的復雜性 支持多種多樣的決策需要，具有較強的應用適用性,.,19,四、 空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和維護,1、空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn) 建立實際的空間數(shù)據(jù)庫結構 裝入試驗性的空間數(shù)據(jù)對應用程序進行測試，以確認其功能和性能是否滿足設計要求，并檢查對數(shù)據(jù)庫空間的占有情況 裝入實際的空間數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫的加載，建立起實際運行的空間數(shù)據(jù)庫,.,20,2、相關的其他設計 空間數(shù)據(jù)庫的再組織設計 故障恢復方案設計 安全性考慮 事務控制,四、 空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和維護,.,21,3、空間數(shù)據(jù)庫的運行和維護 維護空間數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性 監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能 增加新的功能 修改錯誤

9、,四、 空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和維護,.,22,一、數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展階段 二、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組 三、空間數(shù)據(jù)庫的設計 四、空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和維護,內容小結,.,23,知識結構 一、什么傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型？ 二、什么是語義數(shù)據(jù)模型？ 三、什么是面向對象數(shù)據(jù)模型？ 四、三種不同的概念模型的區(qū)別表現(xiàn)在哪些方面？,第二節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概念模型設計,.,24,概念模型要反映GIS需求。 對現(xiàn)象世界認識與抽象，包括：特征描述、關系分析、過程模擬等，用概念化模型表達。 概念模型必須具備豐富的語義表達能力，易于設計人員交流和理解，修改，向各種模型轉換等特點。 常用概念模型： （1）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型（層次模型、網狀模型、關系模

10、型） （2）語義數(shù)據(jù)模型 （3）面向對象數(shù)據(jù)模型,第二節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概念模型設計,.,25,一、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型 層次模型、網狀模型和關系模型,.,26,層次數(shù)據(jù)模型,樹數(shù)據(jù)結構。數(shù)據(jù)關系是一對多（1：N）。,優(yōu)點：層次分明、結構清晰、易理解。 缺點：冗余度大，不適于表示數(shù)據(jù)的拓樸關系。,.,27,網狀數(shù)據(jù)模型,圖數(shù)據(jù)結構。表達數(shù)據(jù)關系是多對多（M：N）。,同層次模型相比： 優(yōu)點：壓縮了數(shù)據(jù)量。 缺點：數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系通過指針表示，指針數(shù)據(jù)項使數(shù)據(jù)量大大增加。,.,28,關系數(shù)據(jù)模型 實體本身的信息以及實體之間的聯(lián)系均表現(xiàn)為二維表。在數(shù)學上把這種二維表叫做“關系”。這些關系表的集合就構成了關系模型

11、。,優(yōu)點：數(shù)據(jù)結構簡單、清晰，能處理多對多關系。 缺點：當涉及的目標很多時，查找操作時間長，效率低。,.,29,二、 語義數(shù)據(jù)模型,語義模型的模型結構是由若干種抽象組成，用這些抽象來描述空間實體的基本語義特征，再根據(jù)語義模型結構規(guī)則把這些抽象結合起來形成模型。模型形成空間實體類別以及這些類別之間的關聯(lián)。,最常用語義模型是實體-聯(lián)系模型（Entity-Relationship model,E-R模型） E-R模型的3個語義概念：,實體 聯(lián)系 屬性,.,30,實體：對客觀存在的起獨立作用的事物的一種抽象。 用矩形符號表示。包括： 點 (point) 線（polyline） 面（polygon） 體

12、（polyhedra）,聯(lián)系：實體間有意義的相互作用或對應關系。 用菱形符號表示。包括： 1:1、1:N、M:N三種類型。 實體和聯(lián)系之間用線段連接。,屬性：對實體和聯(lián)系特征的描述。屬性用橢圓表示。 屬性和實體、聯(lián)系之間也用線段連接。,.,31,語義數(shù)據(jù)模型實體聯(lián)系模型,采用E-R模型進行數(shù)據(jù)庫的概念設計步驟： 設計局部的E-R模型 設計全局的E-R模型 全局E-R模型的優(yōu)化,.,32,.,33,.,34,E-R模型的優(yōu)點：接近人的思想，易于理解。同時，與計算機具體的實現(xiàn)無關，是一種很好的數(shù)據(jù)庫概念設計方法。 由于E-R模型與計算機無關，所以沒有一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接支持E-R模型的實現(xiàn)。 所以，

13、一般用E-R模型設計數(shù)據(jù)庫的概念模型。然后，在邏輯設計階段，把E-R模型轉換成計算機能夠實現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，如關系數(shù)據(jù)模型。,.,35,三、 面向對象的數(shù)據(jù)模型,1、基本概念 對象：對現(xiàn)實世界中一個事物的抽象或模型化表達。自身狀態(tài)內在功能（客體數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)的操作）。一個對象具有一個唯一的名稱標識。 類：多個對象共同特征的抽象概括。 實例：某類的一個具體對象。 消息：對象之間相互請求或相互協(xié)作的唯一途經和通信形式。 方法：對象收到消息后應采取的動作系列的描述。,.,36,2、封裝和消息傳遞,封裝性：系統(tǒng)把屬性值和方法封裝在一個對象中，對象內部的信息是隱藏的。封裝的目的在于使對象的使用和現(xiàn)實分開，使用者

14、不必知道方法操作實現(xiàn)的細節(jié)，只需用消息來訪問對象。 這種數(shù)據(jù)與操作統(tǒng)一的建模方法增強了系統(tǒng)的可維護性和易修改性。,三、面向對象的數(shù)據(jù)模型,.,37,3、繼承及類之間的層次關系,通過繼承，使得某類對象可以自然地擁有另一類對象的某些特征和功能。繼承包括單繼承和多繼承。,.,38,4、功能重載和多態(tài)性,圖形文件,數(shù)據(jù)庫,面向對象的功能重載和多態(tài),重載：這實現(xiàn)特定功能的方法不僅以名稱來區(qū)分，還可以用它所帶來的的參數(shù)來區(qū)別； 多態(tài)：指同一個消息可以根據(jù)發(fā)送消息對象的不同采用多種不同的行為方式。,.,39,5、概括和聚集,概括：把一組相同特征和操作的類歸納為在一個更一般的超類中； 聚集：反映了嵌套對象的概

15、念，即是由一些其他對象組成的，用來描述更高層次對象的一種形式。,.,40,6、空間數(shù)據(jù)庫對象模型,.,41,ORM：即對象角色建模，是運用面向對象的原理進行數(shù)據(jù)庫概念建模的軟件工程方法。 ORM圖：用圖形符號的形式表現(xiàn)對象角色建模的結果。 對象類型：表示實際對象或概念的類型 實體對象類型：由實際事物組成的對象類型 值對象類型：由數(shù)字或字符串組成的數(shù)字類型 謂詞：描述由對象類型扮演的角色的事實的一部分 約束：唯一性約束，強制性約束，用來規(guī)定數(shù)據(jù)的關系,7、ORM圖,.,42,Polygon,Spatial_Obj,Polygon_ID,具有/屬于,ORM圖一個事實的示例,.,43,知識結構 一、

16、什么傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型？ 二、什么是語義數(shù)據(jù)模型？ 三、什么是面向對象數(shù)據(jù)模型？ 四、三種不同的概念模型的區(qū)別表現(xiàn)在哪些方面？,內容小結,.,44,第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫邏輯模型設計,知識結構 一、什么關系數(shù)據(jù)模型？ 二、關系數(shù)據(jù)庫模型的規(guī)范化體現(xiàn)？ 三、E-R模型轉換為關系數(shù)據(jù)模型的方式？,.,45,一、關系數(shù)據(jù)模型 在關系模型中，數(shù)據(jù)的邏輯結構為滿足一定條件的二維表，表具有固定的列數(shù)和任意的行數(shù)，在數(shù)學上稱為“關系”。 二維表是同類實體的各種屬性的集合，每個實體對應于表中的一行，相當于通常的一個記錄；表中的列表示屬性，相當于通常記錄中的一個數(shù)據(jù)項。這種滿足一定條件的規(guī)范化關系的集合，就構成了關系模型

17、。,第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫邏輯模型設計,.,46,.,47,二、關系數(shù)據(jù)庫模型中數(shù)據(jù)的完整性規(guī)則,主鍵：用以保證表中每個記錄互不相同，一個表只能有一個主鍵。 實體完整性規(guī)則：一個表的主鍵值不能重復，也不能為空。 參照完整性規(guī)則：“一對多”關系中，“一”表的主鍵字段必然會出現(xiàn)在“多”表中，成為聯(lián)系兩個或多個表的紐帶。“多”表中出現(xiàn)的這個字段被稱為外鍵。 域的完整性規(guī)則：將某些字段的值限制在合理的范圍內。,.,48,三、關系數(shù)據(jù)庫模型中關系模式的規(guī)范化,第一范式：每個記錄的每個字段都只能包含一個數(shù)據(jù)。,eg:班級：高三年1班，應改為2個字段，一個年級、一個班級，才滿足第一范式 不滿足第一范式 改成,e

18、g班級：高三年1班，應改為2個字段，一個年級、一個班級，才滿足第一范式。,.,49,三、關系數(shù)據(jù)庫模型中關系模式的規(guī)范化,2. 第二范式：表中任意一個字段完全依賴于同一個主字段。,eg:比如不符合第二范式,學生證表,借書證表,.,50,三、關系數(shù)據(jù)庫模型中關系模式的規(guī)范化,3. 第三范式：在滿足第二范式的前提下，非主關鍵字段不能傳遞依賴于主關鍵字段。,eg:爸爸資料表,爸爸信息表,女兒信息表,.,51,初始模式的形成：E-R模型轉換為關系數(shù)據(jù)庫模型 規(guī)范化處理：消除異常，改善完整性、一致性和存儲效率。 模式評價：根據(jù)定量分析和性能測試對數(shù)據(jù)庫結構做出評價； 模式優(yōu)化：利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的功

19、能，對模式進行優(yōu)化，但不改變數(shù)據(jù)庫的信息。,四、空間數(shù)據(jù)庫邏輯設計的步驟和內容,.,52,轉換規(guī)則： 一個實體類型轉換成一個關系模式，實體的屬性就是關系的屬性，實體的關鍵字就是關系的關鍵字。教師（姓名、學歷） 一個聯(lián)系類型轉換成一個關系模式，參與該聯(lián)系的各實體的關鍵字以及聯(lián)系的屬性轉換成關系的屬性。教師課程班級,五、E-R模型轉換為關系數(shù)據(jù)庫模型,.,53,E-R模型,.,54,E-R概念模型轉換成關系模型：,1) 院長 （實體）,2) 學院-院長 （聯(lián)系）,.,55,3）教師-學院（聯(lián)系）,.,56,4）課表-教師（聯(lián)系）,5）學生（實體）,.,57,6）學生-課程（聯(lián)系）,.,58,內容小結 關系數(shù)據(jù)模型的概念結構 關系數(shù)據(jù)庫模型的規(guī)范化表現(xiàn) E-R模型轉換為關系數(shù)據(jù)模型的方式,.,59,知識結構 一、物理設計的內容包括哪些？,第四節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫的物理設計,.,60,第四節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫的物理設計,物理設計包括： 結構設計：把數(shù)據(jù)庫邏輯設計的模型映射為關系數(shù)據(jù)庫的物理結構，結構設計主要包括：存儲記錄的格式設計、存儲方法設計和訪問方法設計。 約束設計：數(shù)據(jù)庫的完整性和安全性措施設計； 應用設計：查詢設計、人機界面設計、輸入/輸出格式設計、代碼設計、處理設計。,.,61,數(shù)據(jù)庫設計的重要內容回顧,什么是空間數(shù)