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1、第五章 空間數(shù)據(jù)管理靖娟利制作/04/9第1頁,共44頁。主要內(nèi)容 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)文件 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 空間數(shù)據(jù)庫模型 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 空間數(shù)據(jù)庫建立與維護(hù)第2頁,共44頁。5.1 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)文件一、數(shù)據(jù)組織的分級數(shù)據(jù)組織的層次 按邏輯單位分級:數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。 按物理單位分級:比特、字節(jié)、字、塊、桶和卷。 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織 數(shù)據(jù)項(xiàng):定義數(shù)據(jù)的最小單位,也叫基本項(xiàng)、字段等;有一定的取值范圍,即域;可以是數(shù)值、字母、字母數(shù)字、漢字等形式。 記錄:由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成,是處理和存儲信息的基本單位;有“型”和“值”的區(qū)別;每個(gè)記錄有唯一的標(biāo)識符(關(guān)鍵字)。 第3頁,共44頁。
2、文件:是一給定類型的(邏輯)記錄的全部具體值的集合;用文件名標(biāo)識;根據(jù)組織和存取方法分為順序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。 數(shù)據(jù)庫:具有特定聯(lián)系的數(shù)據(jù)的集合(多種類型的記錄集合);是具有某種聯(lián)系的文件集合。 (例如,一個(gè)GIS工程可能含有幾千幅圖,每幅圖可能有點(diǎn)、線、面多種數(shù)據(jù)文件和多種屬性表,因而一個(gè)GIS工程可作為一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫,但他們可能涉及成千上萬個(gè)文件。)第4頁,共44頁。二、數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要指記錄之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系 一對一的聯(lián)系(1:1):在集合A中存在一個(gè)元素ai,則在集合B中有且僅有一個(gè)bj與之聯(lián)系。 一對多的聯(lián)系(1:N):在集合A中存在一
3、個(gè)ai,則在集合B中存在一個(gè)子集B(bj1, bj2bjn)與之聯(lián)系。 第5頁,共44頁。 多對多的聯(lián)系(M:N):對于集合A中的一個(gè)元素ai。在集合B就存在一個(gè)子集B(bj1, bj2bjn)與之相聯(lián)系。反過來,對于B集合中的一個(gè)元素Bj在集合A中就有一個(gè)集合A(ai1,ai2,ai3ain)與之相聯(lián)系。 第6頁,共44頁。三、常用數(shù)據(jù)文件文件的組織方式主要有:順序文件:對記錄按主關(guān)鍵字的順序進(jìn)行組織。索引文件:除了存儲記錄本身(主文件)以外,還建立若干索引表。直接文件:也稱隨機(jī)文件,根據(jù)記錄關(guān)鍵字的值,通過某種轉(zhuǎn)換方法得到一個(gè)物理存儲位置,然后把記錄存儲在該位置上。倒排文件:帶有輔索引的文
4、件。第7頁,共44頁。5.2 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)庫的概念概念: 是為一定目的服務(wù),以特定的結(jié)構(gòu)存儲的相關(guān)的數(shù)據(jù)集合。特點(diǎn): 數(shù)據(jù)集中控制 數(shù)據(jù)冗余度小 數(shù)據(jù)獨(dú)立 復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)保護(hù):安全性控制、完整性控制、并發(fā)控制、故障 的發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)第8頁,共44頁。二、數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 物理級:數(shù)據(jù)庫最內(nèi)的一層;是物理設(shè)備上實(shí)際存儲的數(shù)據(jù)集合;由物理模式描述。 概念級:數(shù)據(jù)庫的邏輯表示,包括每個(gè)數(shù)據(jù)的邏輯定義以及數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系;由概念模式定義。 用戶級:用戶所使用的數(shù)據(jù)庫,是一個(gè)或幾個(gè)特定用戶所使用的數(shù)據(jù)集合,是概念模型的邏輯子集;用外模式定義。第9頁,共44頁。第10頁,共44
5、頁。三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS:是處理數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件;是DB的中心樞紐,與各部分有密切聯(lián)系。DBMS的功能:數(shù)據(jù)庫定義、管理、維護(hù)、通訊DBMS的組成:語言處理程序、系統(tǒng)運(yùn)行控制程序、建立和維護(hù)程序DBA:掌握數(shù)據(jù)庫全面情況并作為數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和管理骨干的人;主要功能是建立和維護(hù)數(shù)據(jù)。第11頁,共44頁。四、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫:指GIS在計(jì)算機(jī)物理存儲介質(zhì)上存儲的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和??臻g數(shù)據(jù)特征: 1)空間特征:一般需要建立空間索引。 2)非結(jié)構(gòu)化特征:結(jié)構(gòu)化的,即滿足第一范式:每條記錄定長,且數(shù)據(jù)項(xiàng)是原子數(shù)據(jù);而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)變長,對象包含一個(gè)或多個(gè)對象,需
6、要嵌套記錄。 3)空間關(guān)系特征:拓?fù)鋽?shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護(hù)增加了復(fù)雜性。 4)分類編碼特征:一種地物類型對應(yīng)一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表文件。 5)海量數(shù)據(jù)特征。第12頁,共44頁??臻g數(shù)據(jù)庫特點(diǎn): 1)數(shù)據(jù)量特別大; 2)數(shù)據(jù)種類多,復(fù)雜; 3)數(shù)據(jù)應(yīng)用面相當(dāng)廣。空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng): 1)是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行語義和邏輯上的定義; 2)提供必須的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和存取功能; 3)能夠空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的維護(hù)和更新的一套軟件系統(tǒng)。第13頁,共44頁。5.3 數(shù)據(jù)庫模型數(shù)據(jù)模型: 描述數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的工具,是衡量數(shù)據(jù)庫能力強(qiáng)弱的主要標(biāo)
7、志之一。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型: 層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系模型面向?qū)ο竽P停旱?4頁,共44頁。一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型層次模型 以記錄類型為結(jié)點(diǎn)的有向樹。 原始地圖E 層次模型第15頁,共44頁。 網(wǎng)絡(luò)模型 將數(shù)據(jù)組織成有向圖結(jié)構(gòu),結(jié)點(diǎn)代表數(shù)據(jù)記錄,連線描述不同結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)間的關(guān)系。 網(wǎng)絡(luò)模型 第16頁,共44頁。 關(guān)系模型將數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)歸結(jié)為滿足一定條件的二維表,亦稱關(guān)系。表的行叫元組,相當(dāng)于一個(gè)記錄,表的列叫屬性。所有的元組都是同質(zhì)的,即有相同的屬性項(xiàng)。多邊形關(guān)系邊界結(jié)點(diǎn)關(guān)系邊界關(guān)系第17頁,共44頁。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)連續(xù)性/相關(guān)性不連續(xù)相關(guān)性小連續(xù)較強(qiáng)空間相關(guān)性實(shí)體類型
8、/空間關(guān)系少簡單固定多復(fù)雜且不固定記錄長度結(jié)構(gòu)化等長非結(jié)構(gòu)化不等長查詢與操作文字、數(shù)字文字?jǐn)?shù)字空間圖形第18頁,共44頁。二 、面向?qū)ο竽P?、對象: 含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨(dú)立模塊,可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。(如一個(gè)城市、一棵樹均可作為地理對象。) 具有一個(gè)唯一的標(biāo)識,以表明其存在的獨(dú)立性; 具有一組描述特征的屬性,以表明其在某一時(shí)刻的狀態(tài)靜態(tài)屬性數(shù)據(jù); 具有一組表示行為的操作方法,用以改變對象的狀態(tài)。-作用、功能函數(shù)、方法。 地理對象屬性數(shù)據(jù)行為方法 基本概念第19頁,共44頁。 2、類:共享同一屬性和方法集的所有對象的集合。如河流均具有共性,如名稱、長度、流域面積等,以及相同的操作方法
9、,如查詢、計(jì)算長度、求流域面積等,因而可抽象為河流類。3、實(shí)例:被抽象的對象,類的一個(gè)具體對象。如長江、黃河等。(真正抽象的河流不存在,只存在河流的例子。)類是抽象的對象,是實(shí)例的組合,類、實(shí)例是相對的,類和實(shí)例的關(guān)系為上下層關(guān)系。類-申請實(shí)例-成為具體對象。4、消息:對象之間的請求和協(xié)作。(并不獨(dú)立存在)對象之間的關(guān)系, 如點(diǎn)某按紐,就是對按紐提出請求。類實(shí)例1實(shí)例2對象1對象2請求和協(xié)作消息第20頁,共44頁。 面向?qū)ο蟮奶匦?、抽象:是對現(xiàn)實(shí)世界的簡明表示。形成對象的關(guān)鍵是抽象,對象是抽象思維的結(jié)果。2、封裝:將方法與數(shù)據(jù)放于一對象中,以使對數(shù)據(jù)的操作只可通過該對象本身的方法來進(jìn)行(指把
10、對象的狀態(tài)及其操作集成化,使之不受外界影響)。3、多態(tài):是指同一消息被不同對象接收時(shí),可解釋為不同的含義。同一消息,對不同對象,功能不同?,F(xiàn)實(shí)世界抽象對象1對象n對象2圖元類 CLineCCircledraw()draw(p1,r)draw(p1,p2)LineCircle第21頁,共44頁。 四種核心技術(shù)1、分類:分類是把一組具有相同屬性結(jié)構(gòu)和操作方法的對象歸納或映射為一個(gè)公共類的過程。(instance-of)2、概括:將相同特征和操作的類再抽象為一個(gè)更高層次、更具一般性的超類的過程。(is-a)3、聚集:聚集是把幾個(gè)不同性質(zhì)類的對象組合成一個(gè)更高級的復(fù)合對象的過程。(parts-of)4
11、、聯(lián)合:相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。(member-of) 空間對象類多邊形對象類 弧段對象類概括圖層對象類多邊形對象類 弧段對象類聚集第22頁,共44頁。 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具 1、繼承:一類對象可繼承另一類對象的特性和能力,子類繼承父類的共性,它服務(wù)于概括,分為單重繼承和多重繼承。繼承機(jī)制減少代碼冗余,減少相互間的接口和界面。第23頁,共44頁。2、傳播是作用于聯(lián)合和聚集的工具,它通過一種強(qiáng)制手段將子目標(biāo)的屬性信息傳播給復(fù)雜對象。成員對象的屬性只存儲一次,保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如桂林市總?cè)丝?,由存儲在各成員對象中的各區(qū)人口總和。3、繼承與傳播(區(qū)別)1
12、)繼承服務(wù)于概括,傳播作用于聯(lián)合和聚集;2)繼承是從上層到下層,應(yīng)用于類,而傳播是自下而上,直接作用于對象;3)繼承包括屬性和操作,而傳播一般僅涉及屬性;4)繼承是一種信息隱含機(jī)制,只要說明子類與父類的關(guān)系,則父類的特征一般能自動(dòng)傳給它的子類,而傳播是一種強(qiáng)制性工具,需要在復(fù)合對象中顯式定義它的每個(gè)成員對象,并說明它需要傳播哪些屬性值。 第24頁,共44頁。 三、現(xiàn)行空間數(shù)據(jù)庫管理方案基于文件與關(guān)系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)混合管理方案基于關(guān)系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案基于對象關(guān)系式數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理方案。第25頁,共44頁。文件 關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方案屬性數(shù)據(jù)建立在RDBMS上,數(shù)據(jù)存儲和檢索比較
13、可靠、有效;幾何數(shù)據(jù)采用圖形文件管理,功能較弱,特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面,比商用數(shù)據(jù)庫要遜色得多??臻g數(shù)據(jù)分開存儲,數(shù)據(jù)的完整性有可能遭到破壞。GIS軟件:Arc/Info,MGE,GenMap等幾何數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)ID數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫早期圖形用戶界面圖形處理DBMS屬性用戶界面圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫高級語言O(shè)DBC協(xié)議GIS用戶界面圖形處理DBMS圖形文件庫屬性數(shù)據(jù)庫高級語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)語言數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)庫開發(fā)第26頁,共44頁。全關(guān)系式數(shù)據(jù)庫管理方案屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時(shí)采用關(guān)系式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)不必進(jìn)行煩瑣
14、的連接,數(shù)據(jù)存取較快屬性間接存取,效率比DBMS的直接存取慢,特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復(fù)雜的空間操作GIS軟件:System9,Small World、Geovision等GIS界面屬性數(shù)據(jù)(定長記錄)空間數(shù)據(jù)(變長記錄)DBMS空間數(shù)據(jù)庫關(guān)系表二進(jìn)制塊第27頁,共44頁。對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理方案對現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展,增加空間數(shù)據(jù)類型解決了空間數(shù)據(jù)變長記錄的存儲問題,由數(shù)據(jù)庫軟件商開發(fā),效率較高用戶不能根據(jù)GIS要求進(jìn)行空間對象的再定義,因而不能將設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲GIS軟件:TIGER,Geo+、Geo Tropics等GIS界面空間數(shù)據(jù)處理DBMS空間數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充實(shí)體類型(點(diǎn)、
15、線、面、圓等)第28頁,共44頁。面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)面向?qū)ο竽P妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理,它不僅支持變長記錄,且支持對象的嵌套,信息的繼承和聚集。允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及它的操作??梢詫⒖臻g對象根據(jù)需要,定義合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶和不帶拓?fù)?,?dāng)帶拓?fù)鋾r(shí),涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的核心是對復(fù)雜對象的模擬和操縱。第29頁,共44頁。四、GIS空間數(shù)據(jù)組織研究區(qū)域GIS工程并發(fā)控制空間索引工作區(qū)1工作區(qū)2工作區(qū)n工作層地物類邏輯層Arc/InfoMGEGeoStar屬性數(shù)據(jù)Arc/InfoMGEGeoStar
16、ARCINFO,屬性數(shù)據(jù)文件建在對應(yīng)的coverage目錄下; MGE,一個(gè)地物類對應(yīng)于一個(gè)屬性表文件,且所有屬性都放在工程目錄下; GeoStar,結(jié)合前兩者的優(yōu)點(diǎn);第30頁,共44頁。五、空間數(shù)據(jù)索引空間索引概念根據(jù)空間對象位置和形狀或空間對象的某種空間關(guān)系,按一定順序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),包含空間對象的概要信息,以提高空間操作的效率GIS中引入空間索引的必要性工作區(qū)建立查詢、顯示數(shù)據(jù)提取常見空間索引方法對象范圍索引格網(wǎng)索引四叉樹索引R樹和R+樹索引第31頁,共44頁??臻g索引:對象范圍索引IDXmaxXminYmaxYmin1234YmaxYminXminXmax空間對象集合123456檢索窗
17、口XNYWYEXSXmaxXN OR XminXS OR YmaxYE OR YminYW空間對象不被檢索XEXmax,XminXN ANDYWYmax,YminYE空間對象被檢索XNYWYEXS236第32頁,共44頁??臻g索引:格網(wǎng)索引 將工作區(qū)按一定的規(guī)則劃分成格網(wǎng) 記錄每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)所包含的空間對象 將格網(wǎng)按Morton碼進(jìn)行編碼第33頁,共44頁??臻g索引:四叉樹索引 線性四叉樹 采用Morton碼編碼(Peano鍵) 根據(jù)空間對象覆蓋范圍,進(jìn)行四叉樹分割 建立Peano鍵與空間目標(biāo)的索引關(guān)系 層次四叉樹 記錄中間節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)到子節(jié)點(diǎn)的指針 若某個(gè)記錄覆蓋了哪一個(gè)中間節(jié)點(diǎn),還要記錄該空間
18、對象的標(biāo)識空間索引:R樹和R+樹索引第34頁,共44頁。5-4 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì) 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)是指在現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立空間數(shù)據(jù)庫的整個(gè)過程。現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)第35頁,共44頁。一、需求分析 需求分析是整個(gè)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與建立的基礎(chǔ),主要進(jìn)行以下工作:1、調(diào)查用戶需求:了解用戶特點(diǎn)和要求,取得設(shè)計(jì)者與用戶對需求的一致看法。2、需求數(shù)據(jù)的收集和分析:包括信息需求(信息內(nèi)容、特征、需要存儲的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應(yīng)時(shí)間)、完整性與安全性要求等。3、編制用戶需求說明書:包括需求分析的目標(biāo)、任務(wù)、具體需求說明、系統(tǒng)功能與性能、運(yùn)行環(huán)境等,是需
19、求分析的最終成果。 在需求分析階段完成: 數(shù)據(jù)源的選擇和對各種數(shù)據(jù)集的評價(jià)(一般、空間、屬性評價(jià))。 第36頁,共44頁。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)果是得到一個(gè)合理的空間數(shù)據(jù)模型,是空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將地理空間實(shí)體以一定的組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達(dá)的過程,也就是地理信息系統(tǒng)中空間實(shí)體的模型化問題?,F(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體邏輯模型物理模型概念模型需求分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第37頁,共44頁。1、概念模型 是通過對錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識與抽象,最終形成空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應(yīng)用系統(tǒng)所需的模型。 表示概念模型最有力的工具是ER模型,即實(shí)體聯(lián)系模型,包括實(shí)體、聯(lián)系和屬性三個(gè)基本成
20、分。用它來描述現(xiàn)實(shí)地理世界,不必考慮信息的存儲結(jié)構(gòu)、存取路徑及存取效率等與計(jì)算機(jī)有關(guān)的問題,比一般的數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實(shí)地理世界,具有直觀、自然、語義較豐富等特點(diǎn),在地理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。市區(qū)要素空間實(shí)體空間實(shí)體屬性空間實(shí)體關(guān)系邊線走向街道路面質(zhì)量所屬路段所屬街道組成長度等m1模型E_R第38頁,共44頁。2、邏輯模型 邏輯模型的設(shè)計(jì)是將概念模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為具體DBMS可處理的地理數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)(或外模式),包括確定數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。 從ER模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換的主要過程為: 確定各實(shí)體的主關(guān)鍵字; 確定并寫出實(shí)體內(nèi)部屬性之間的數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)式(函數(shù)依賴關(guān)系),即某一數(shù)據(jù)項(xiàng)決定另外的數(shù)據(jù)項(xiàng);把經(jīng)過消冗處理(規(guī)范化處理)的數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)式中的實(shí)體作為相應(yīng)的主關(guān)鍵字;根據(jù)、形成新的關(guān)系。完成轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行分析、評價(jià)和優(yōu)化。 第39頁,共44頁。3、物理設(shè)計(jì) 是指有效地將空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)在物理存儲器上實(shí)現(xiàn),確定數(shù)據(jù)在介質(zhì)上的物理存儲結(jié)構(gòu),其結(jié)果是導(dǎo)出地理數(shù)據(jù)庫的存
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