空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)B課件

1、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 在第七章的第一部分介紹了空間數(shù)據(jù)的特征、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)以及空間數(shù)據(jù)的邏輯預(yù)處理（包括分幅、分層和分專題要素）。在這一部分將介紹空間數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計和邏輯設(shè)計，它是空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的主要內(nèi)容。教學(xué)提綱三、空間數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計 四、空間數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計 退出三、空間數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計 （一） 空間數(shù)據(jù)需求分析 （二） E-R模型 （三） 空間數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計 返回空間數(shù)據(jù)需求分析步驟用戶需求調(diào)查分析空間數(shù)據(jù)現(xiàn)狀系統(tǒng)分析E-R模型 描述： E-R模型是構(gòu)建信息系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫概念模型的一種有效工具或有效方法（也稱為E-R方法）。組成：實體類（簡稱實體）、關(guān)系類（簡稱關(guān)系）和屬性分

2、類：基本E-R方法、擴(kuò)展E-R方法、空間E-R方法基本E-R方法 由Peter Chen于1976年提出特點：強(qiáng)調(diào)實體間的關(guān)系，而非實體的屬性 目的：試圖建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，以概括層次、網(wǎng)狀和關(guān)系三個傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型；作為三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型相互轉(zhuǎn)換的中間數(shù)據(jù)模型；作為超脫數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)的一種概念模型，以比較自然的方式描述現(xiàn)實世界。 表示方法：E-R圖。其中，實體用方框表示，屬性用橢圓表示，關(guān)系用菱形表示。 屬性 描述：它是實體的特征。一個實體總是通過其屬性來描述的，對實體的管理和分析的操作是通過對屬性的操作來實現(xiàn)的。 關(guān)系/聯(lián)系 描述：它指的是實體之間的聯(lián)結(jié)，可以有自己的屬性。一般地，實體

3、和屬性是數(shù)據(jù)庫的存儲對象，而關(guān)系是數(shù)據(jù)庫所要進(jìn)行的查詢操作。 種類：擁有/屬于關(guān)系、集/子集關(guān)系、父/子關(guān)系、實體的組成關(guān)系等。又可分為一對一、一對多、多對一、多對多等關(guān)系類型。E-R圖示例(大學(xué)數(shù)據(jù)庫 )教師年齡姓名性別職稱工資地址 所屬教研室講授課程郵編市單位學(xué)校信箱教師教室課程名學(xué)時數(shù)內(nèi)容T_S_C教研室地點名稱編號所屬系系地點名稱編號系主任學(xué)生性別姓名年齡年級B_DN1S_D1NT_DN1多值屬性聯(lián)系型返回分化與綜合 分化：即把一個實體或類按某一特征分為幾個實體集。 設(shè)有實體集E，如果F是E的某些真子集的集合，即F=Si | SiE，i=1，2，n，則稱F是E的一個分化，E是S1，S2

4、，Sn的超實體集，S1，S2，Sn是E的子實體集。綜合：它是分化的逆過程。 返回聚集 描述：由聯(lián)系及參與聯(lián)系的實體組合而成的新實體。即允許聯(lián)系參與聯(lián)系，而在基本E-R方法中是不允許的。 返回空間E-R方法 E-R方法在GIS中的應(yīng)用分為兩類：直接應(yīng)用。如屬性數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計空間E-R方法。根據(jù)空間數(shù)據(jù)的空間特性對基本E-R方法和擴(kuò)展E-R方法進(jìn)行改進(jìn)，它最初由Calkins提出，在GIS中具有較成功的應(yīng)用 空間實體及其表達(dá) 空間實體與一般實體區(qū)別：它具有空間特性。即它除了作為一般實體的普通屬性外，還具有不同于一般實體的空間屬性。三種空間實體類型（Calkins定義）：有空間屬性對應(yīng)的一般實體

5、；有空間屬性對應(yīng)的需用多種空間尺度（類型）表 達(dá)的實體；有空間屬性對應(yīng)的需表達(dá)多時段的實體。 這三種空間實體分別用單個特定矩形框、兩個交疊的特定矩形框、三個重疊的特定矩形框表示。 空間實體的關(guān)系及其表達(dá) 關(guān)系分類（Calkins）：一般關(guān)系（一般數(shù)據(jù)庫都具有）；拓?fù)潢P(guān)系（相鄰、聯(lián)結(jié)、包含）；由空間操作導(dǎo)出的關(guān)系（鄰近、交疊、空間位置的一致性）。表達(dá)：這三類關(guān)系分別用菱形、六邊形、雙線六邊形表示?；綞-R方法和空間E-R方法比較 基本E-R方法 空間E-R方法 實體構(gòu)成例子學(xué)生（姓名、性別、年齡、入學(xué)時間、住址） 宗地（產(chǎn)權(quán)人姓名、地址） 多邊形（坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系） 實體表達(dá)屬性實體一般實體及其

6、屬性地理實體一般實體及其屬性 空間實體及其屬性學(xué)生宗地Polygon G T坐標(biāo)標(biāo)識拓?fù)錁?biāo)識實體名稱空間實體類型姓名、性別、產(chǎn)權(quán)人姓名、地址、E-R方法比較（續(xù)表）基本E-R方法 空間E-R方法 實體類型一種： 一般實體（無空間實體對應(yīng)） 三種： 一般實體（與 空間實體對應(yīng)） 多空間尺度/類型 表達(dá)的空間實體 多時段表達(dá)的空 間實體 關(guān)系類型一種： 三種： 一般關(guān)系（擁有、參加） 拓?fù)潢P(guān)系（連通、 相鄰、包含等） 由空間操作導(dǎo)出的關(guān)系 （鄰近、交疊、跨越、空間一致性） 空間E-R方法示例（據(jù)邵全琴等，1998） 1 漁船 point G TM 共管區(qū) polygon G T包含于漁業(yè)公司漁政局

7、 漁船 point G T管理 管理 共管區(qū) polygon G T 漁政船 point G T 包含于NNN11111NNNMMMMN 中心漁場 polygon G T 禁漁區(qū) polygon G T 圍網(wǎng)漁船 point G T 拖網(wǎng)漁船 point G T M 海底障礙物 point G T 交疊臨近違規(guī)處罰O重疊注：1、M、N表示地理實體間的聯(lián)系。如： 它的含義為一個共管區(qū)內(nèi)可以包含M艘漁船，即1：M的關(guān)系。 返回數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計流程圖 數(shù)據(jù)分析用戶視圖的設(shè)計用戶視圖的集成視圖的分析和修改返回用戶、征求意見數(shù)據(jù)流程圖數(shù)據(jù)字典的形成單用戶的概念結(jié)構(gòu)(分E-R圖)總體概念結(jié)構(gòu)(初步E-R圖)

8、概念結(jié)構(gòu),(基本E-R圖)空間數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計流程 確定系統(tǒng)所有的一般實體和地理實體確定各個實體的屬性確定實體間的所有聯(lián)系繪制表示一個單元的空間E-R圖將空間E-R圖轉(zhuǎn)化為GIS軟件和RDBMS可接受的數(shù)據(jù)模型將各個單元的空間E-R圖組合起來，并優(yōu)化四、空間數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計 （一） 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型 （二） 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 （三） 空間數(shù)據(jù)模型 返回傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的類型層次模型網(wǎng)絡(luò)模型關(guān)系模型層次模型 它是以記錄類型為結(jié)點的有向樹或者森林。如果把層次模型中的記錄按照先上后下、先左后右的次序排列就得到了一個記錄序列，稱為層次序列，層次序列碼能指出層次路徑。按照層次路徑查找記錄是層次模型的實現(xiàn)方法

9、之一。根結(jié)點二級結(jié)點1二級結(jié)點2三級結(jié)點1圖中每個方框代表一個結(jié)點記錄，附有該結(jié)點的屬性值，結(jié)點間的連線反映了它們之間的從屬關(guān)系 網(wǎng)絡(luò)模型 它主要用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，是以記錄類型為結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)模型中通常用循環(huán)指針來聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點。 根結(jié)點二級結(jié)點1二級結(jié)點2三級結(jié)點1三級結(jié)點2三級結(jié)點3圖中每個方框是一個結(jié)點，代表一個實體，每個實體用一個記錄表示，不同實體之間的聯(lián)系用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。 關(guān)系模型 描述：它將數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)歸結(jié)為滿足一定條件的二維表，亦稱為關(guān)系，一個實體由若干關(guān)系組成，而關(guān)系表的集合就構(gòu)成了關(guān)系模型。 關(guān)系表示例 ：用地項目信息表和地塊信息表用地項目編號 用地單位 地塊編號

10、1地塊1 2地塊2 地塊編號 面積 用地類型 地塊1 地塊2 三種模型的比較 返回層次模型 網(wǎng)絡(luò)模型 關(guān)系模型 結(jié)構(gòu)特征 父結(jié)點與子結(jié)點的關(guān)系必須是一對一或一對多 一個子結(jié)點可以有兩個或多個父結(jié)點，兩個結(jié)點之間可以有兩種或多種聯(lián)系 實體間的聯(lián)系通過公共值隱含地表達(dá)，并用關(guān)系代數(shù)和關(guān)系運算來操作 優(yōu)點 結(jié)構(gòu)清晰，較容易實現(xiàn) 可以表示多對多的關(guān)系，冗余度較小 結(jié)構(gòu)簡單靈活，數(shù)據(jù)修改和更新方便，容易維護(hù)和理解 缺點 不能表示多對多的聯(lián)系，難以顧及數(shù)據(jù)共享和實體間的拓?fù)潢P(guān)系，數(shù)據(jù)冗余度大 采用循環(huán)指針來聯(lián)系結(jié)點，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以修改和維護(hù)，更新較為困難 難以處理復(fù)雜的目標(biāo)，效率、數(shù)據(jù)語義和目標(biāo)標(biāo)識等方面

11、還有不足 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的框架 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) . 持久性 . 共享 . 查詢語言 . 并發(fā)控制 . 事務(wù)管理 面向?qū)ο缶幊?. 復(fù)雜對象 . 對象確認(rèn) . 類和方法 . 封裝 . 繼承語義數(shù)據(jù)模型 . 聚合 . 概括 . 派生 . 聯(lián)合 確立對象數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的特點 支持復(fù)雜對象。具有對簡單對象運用各種構(gòu)造符組成復(fù)雜對象的能力具有對象標(biāo)識。對象獨立于它的值存在具有封裝性。數(shù)據(jù)庫對象中既封裝數(shù)據(jù)又封裝程序，從而達(dá)到信息隱蔽，同時也實現(xiàn)邏輯數(shù)據(jù)的獨立性支持類型和類的概念，類型概括了具有相同特性的一組對象的共同特性支持類或類型的層次結(jié)構(gòu)，具有繼承關(guān)系允許重載，即將同一名字用于不同類型的

12、數(shù)據(jù)操作通過與現(xiàn)有程序設(shè)計語言的合理連接達(dá)到計算完備性具有擴(kuò)充性面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的特征 封裝性 ：在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)中，所有的實體都可以模型化為對象。對象是由描述該目標(biāo)狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)和表達(dá)它的行為的一組操作（方法）組成，即某種相關(guān)的數(shù)據(jù)和行為的組合，這種行為就是對象的封裝性。 類：它是同類對象的集合，即具有相同屬性和操作的目標(biāo)的組合。類描述了該類對象的共同屬性和共同的操作（方法），避免了對象的重復(fù)定義工作 。超類和繼承：超類的概念是為了減輕類的重復(fù)定義問題，方便類的管理。繼承的概念是為了在超類和子類之間，使子類能夠獲得超類的屬性項和操作。 超類 定義：簡單的說就是將幾種類型中某些具有共同特征的屬

13、性項和操作抽象出來，形成一種更一般的類，即超類。超類中所有的屬性項和操作都賦予子類，同時，子類可以在超類的基礎(chǔ)上添加其它的屬性項和操作。舉例： 超類SuperC（屬性1、屬性2、屬性3、操作1、操 作2、操作3）； SuperC的子類Class1（屬性4、操作4）。 其中，Class1的屬性項包括從SuperC繼承來的屬性1、2、3和自己定義的屬性4，操作包括從SuperC繼承來的操作1、2、3和自己定義的操作4。 返回空間數(shù)據(jù)模型類型 混合數(shù)據(jù)模型 全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)模型 對象-關(guān)系型空間數(shù)據(jù)模型 面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)模型 返回混合數(shù)據(jù)模型 混合數(shù)據(jù)模型指在空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，采用將空間圖形數(shù)據(jù)和相

14、關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)分離開來管理的模式，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵字連接。該模型使用方便、實現(xiàn)起來較為簡單，是目前使用較為廣泛的一種空間數(shù)據(jù)模型。 混合型空間數(shù)據(jù)庫模型示意圖空間數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)管理圖形數(shù)據(jù)管理分層設(shè)計分區(qū)設(shè)計關(guān)聯(lián)設(shè)計關(guān)系表設(shè)計混合數(shù)據(jù)模型設(shè)計圖形數(shù)據(jù)：由于GIS采用高級語言編程，可以通過打開/關(guān)閉直接操縱數(shù)據(jù)文件，圖形用戶界面和圖形文件處理是一體的。 屬性數(shù)據(jù)：通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。以Arc/Info8.0以前版本為例，“INFO”是一個完整的簡單關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它的屬性表設(shè)計包括一般屬性表(用戶定義的屬性表)與標(biāo)準(zhǔn)屬性表(系統(tǒng)定義的屬性表)。 圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的交互方式

15、:通過屬性數(shù)據(jù)庫提供的高級編程語言接口，使得GIS在 高級編程語言環(huán)境下，直接操縱屬性數(shù)據(jù)，并顯示屬性數(shù)據(jù)；通過接口調(diào)用SQL語句，查詢屬性數(shù)據(jù)庫，并在GIS用戶界面下，顯示查詢結(jié)果。屬性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的調(diào)用在后臺執(zhí)行，圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的查詢與維護(hù)在同一界面下實現(xiàn)。一般屬性表與標(biāo)準(zhǔn)屬性表的關(guān)系設(shè)計方法一：物理上、邏輯上均相聯(lián)，即用戶定義的屬性就添加在PAT或AAT上 。優(yōu)勢：簡單、易操作，應(yīng)用較廣缺點： 屬性只能依賴空間要素而存在，無法保留空間要素屬性的歷史記錄； 易造成數(shù)據(jù)冗余； 易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的更新異常； 對帶有擴(kuò)充屬性表的Coverage進(jìn)行操作時，需要更多的時間和空間資源。 方法二：物理

16、上分開、邏輯上相關(guān)聯(lián)，即單獨存儲用戶定義的屬性，用關(guān)系或指針與PAT或AAT相聯(lián)。 該方法不僅可以避免方法一的弊端，而且用戶定義的屬性還可以存放在第三方的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，如Oracle，也利于數(shù)據(jù)的重用和共享。 空間要素一般屬性表設(shè)計方法 方法一：把描述某一空間要素的所有屬性放在一張屬性表中。 該方法簡單省事，但它是非規(guī)范化的，會帶來數(shù)據(jù)冗余、更新異常等問題。故而，需要根據(jù)屬性項之間的依賴關(guān)系進(jìn)行分解，使之成為邏輯上有聯(lián)系的，但物理上分離的多個屬性表。 方法二：把描述某一空間要素的屬性分別放在若干個邏輯上相互聯(lián)系、符合第三范式的屬性表中。 返回全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)模型 描述：指空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)

17、都采用關(guān)系模型進(jìn)行設(shè)計，建立全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。思路：由GIS廠商在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，使該系統(tǒng)不僅能管理結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)，而且能管理非結(jié)構(gòu)化的圖形數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)管理方式方法一：將空間實體的空間特征用關(guān)系模型來表達(dá)，制作關(guān)系表。由于關(guān)系連接運算相當(dāng)費時，該方法在空間對象處理顯示方面效率很低。 由于空間特征由點、線、面組成，因此可以制作三種表單：多邊形的關(guān)系表；線段的關(guān)系表；結(jié)點的關(guān)系表。方法二：將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成Binary二進(jìn)制塊Block字段，交由關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲和管理。該方法雖然省去了方法一的大量關(guān)系連接操作，但是二進(jìn)制塊的讀寫效率要比定長的屬

18、性字段低的多，特別是牽涉對象的嵌套，速度更慢。 三種表單示例返回多邊形編號名稱 線段編號 屬性項 Polygon1Line1、2、3、 Polygon2Line5、6、7、 線段編號 名稱 結(jié)點編號 屬性項 Line1 Node1、2、3、 Line2 Node3、4、5、 結(jié)點編號 X坐標(biāo) Y坐標(biāo) 屬性項 Node1 Line1、2、3、Node2 Line5、6、7、 多邊形線段結(jié)點對象-關(guān)系型空間數(shù)據(jù)模型 描述：在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中擴(kuò)展，通過定義一系列操作空間對象（如點、線、面等）的API函數(shù)，來直接存儲和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫管理模式。實現(xiàn)途徑：從關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)擴(kuò)展，增加面向?qū)ο筇匦?，主要是對基類進(jìn)行擴(kuò)充，增加復(fù)雜對象繼承性和規(guī)則系統(tǒng)的支持等。特點：融合關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)，支持查詢語言SQL的超集，具備關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本功能，同時又支持面向?qū)ο筇匦?。適于復(fù)雜數(shù)據(jù)、復(fù)雜查詢的應(yīng)用， 其不足在于用戶不能自定