地理信息系统数据库设计与管理

1、第六讲 地理信息系统数据库设计与管理GIS数据库数据库 一般来说数据库的集合存放有下面几个要求： 1）最小冗余度原则；数据尽可能不重复。 2）应用程序对数据资源的共享原则：以最优的方式服务于一个或多个应用程序。 3）数据独立性原则：数据的存放尽可能地独立于使用它的应用程序。 统一管理原则：能够用一个软件统一管理这些数据。 分享式数据库分享式数据库 分享式数据库的优点可以从以下几个方面来概括： 1）灵活性增强。 2）用户应用程序的共同开发。 3）维护的分享。 4）减少数据的冗余度。GIS数据库设计的概念数据库设计的概念GIS数据库设计过程数据库设计过程 第一步需求分析 第二步原型概念化设计 第三

2、步GIS数据库的详细设计 第四步自动化方案制定 第五步试点项目实施 第六步数据库总体实施用户需求分析用户需求分析 GIS数据库开发应该主要了解下面的内容： 1）明白即将开发的GIS所支持的各种功能； 2）了解系统要求的数据内容和行为； 3）了解数据之间的关系和优先次序；这些信息有利于制定数据库的开发实施计划。 4）了解数据库和GIS的整体要求和蓝图。现状调查现状调查1）在访谈以前将各种问题以表格、问卷或其他书面形式写出来。2）避免不必要的细节，着重了解预定的内容。3）整个访谈应由GIS专业技术人员掌握，控制进度，保持良好的访谈气氛。4）尽可能在对方工作的地方进行，以便对方可以随时提供必要的资料

3、和过程。5）让对方告知轻重次序，以便于在实施过程中决定执行次序。6）注意负面意见，但不要急于作答。7）对于自己不熟悉的领域可以使用录音机、录相、照相等。需要了解的内容需要了解的内容 通常可以分成机构的模式、日常操作、数据、专业人员、软件和硬件这六大类。调查内容的组织的分析调查内容的组织的分析 （1）现有机构的组织结构图；）现有机构的组织结构图； 1）现有机构的功能示意图； 2）现有机构的人员组织及功能示意图； 3）现有数据内容及来源清单； 4）现有数据及其功能参照表； 5）现有软硬设备关系图。 除了以上6种内容以外，还应当包括下面三种； 6）人员培训计划； 7）GIS的输出产品； 8）实施的进

4、度计划。分析结果报告分析结果报告 分析结果报告通常要包括以下几个部分： 1）机构运作的逻辑数据流程图； 2）对于整个数据流程的每步过程，数据的输入是如何转换成数据的输出； 3）各主要处理均应当以任务的形式出现； 4）各主要处理的步骤应简单明地注明。（2）建立）建立GIS系统获得的各种产品系统获得的各种产品 各类GIS产品通常可以包括地图、报表、文件、应用软件包、屏幕查询或是更新的数据库等。（3）硬件资源表）硬件资源表 包括：硬件名称、操作系统、主要功能、所属部门、运行状况等。 （4）软件资源表）软件资源表 包括：软件名称、所属单位、操作平台、主要功能、参与的应用、运行状况等。（5）专业人员清单

5、）专业人员清单 主要包括：人员名称、所属部门职务、主要职责范围、技术优势、经验层次、目前工资等。（6）数据功能参照表）数据功能参照表I: Input O: Output（7）数据来源清单）数据来源清单 数据功能参照表（8）部门功能清单）部门功能清单概念化设计概念化设计 1）数据库的宏观地理定义：主要指对数据库比例尺、地图投影和坐标系统的定义。 2）数据库的地理特征设计；对于各种地理特征有关的属性数据中以什么几何形式表达进行设计。 3）数据库表格及其关系的设计表达：对与地理特征有关的属性数据在数据库中表达方式的设计。 4）数据库总体设计的评定；根据数据库的应用目的和数据内容及使用方式来评价前面三

6、步的设计结果，进行统筹的考量。 5）数据库概念模型的起草；将GIS数据库的概念设计起草成正式的文件，作为后面详细设计时参考。数据库的宏观地理定义数据库的宏观地理定义 宏观地理定义通常包括以下三个内容：比例尺、地图投影和坐标系统。 1）比例尺 比例尺是指地图和地表上长度的对应关系，它是地图或数据精度和详细程度的标志。 2）地图投影和地理坐标系统 设计数据库时可以有以下几种选择 1）将所有数据放入一个带。 2）将各带分别存放。 3）选择不同的地图投影。 4）选择使用地理坐标系统。地图投影选择的几个原则：地图投影选择的几个原则： 1）任何地图投影均有变形。 2）等形投影保持小区域内不变，但任何一种投

7、影不能保证大范围内的不变。 3）等面积投影保持同比例的情况下面积不变。 4）等距离投影保持某种距离上下不变，但任何一种投影均不可能保持一幅地图上任何两点的距离均是不变的。 等方向投影保持地图上的方位角与真实方位角相同。 投影和坐标系统选择的一般原则：投影和坐标系统选择的一般原则： 1）在经常需要投影变换而且覆盖面积较大的情况下，应该使用地理坐标系统。 2）笛卡儿坐标系统对于小面积和一个固定的坐标系最为适合。 3）根据研究区的形状来选择变形最小的投影。 4）如果有地区标准的话，应该使用地区标准。 5）如果研究区的面积很重要时，可以考虑使用一种等面积的投影进行面积计算，而数据在存储时可以使用另外一

8、种投影。数据库数据模型的确定1）数据库数据的组织）数据库数据的组织 GIS中数据组织结构的分析主要包括： 数据分层； 数据在各层次上表达的形式及其格式； 数据属性信息的内容。数据分层的考虑因素数据分层的考虑因素 具有同样的特性，即数据有相同的属性信息。 比例尺的一致性。 该层数据会有同样的使用目的和方式。 不同部门的数据通常应该放入不同的层，便于维护。 数据库中需要不同级别安全处理的数据。 数据库中的各类数据的更新可能使用各种不同的数据源，在分层中，使用不同数据源更新的数据也应分层进行存储，以便于更新。 即使是同一类型的数据，有时其属性特征也不相同，所以也应该分层存储。2）空间数据库属性表与属

9、性关系设计）空间数据库属性表与属性关系设计 步骤：设计相互关联的表格；对数据表进行规范化；定义主关键项和外部关键项；使用实体关系模型来定义关系；关系表的再规范化。(1)设计相互关联的表格设计相互关联的表格 唯一性：在每个表中，每个记录的关键项均必须是唯一的； 不变性：不含有其他方面的信息； 纯粹性：不含有其他方面的信息； 不重复性：不会被重复使用，即某一个值被删除后，不会再被使用； 可获得性：需要时便可以拿来到此信息。(2)空间数据的均衡化空间数据的均衡化 将数据库中各关系表进行分解，使其变成更简单、更稳定的一套关系表的过程叫数据库的均衡化。(3)使用实体使用实体关系模型来帮助关系表的规范关系

10、模型来帮助关系表的规范化化 首先要识别实体。 决定实体间的关系。 决定各实体的关键项。 将其汇成连通的图表。(4)逻辑数据图逻辑数据图(5)概念化设计的书面报告概念化设计的书面报告 文件内容应该将所有的数据内容加以详细的概述。 对数据库的数据模型和内容加以描述，即分层和表格关系。 在能够使用图表的情况下尽量使用图表。 很多详细的内容可以放入附录之中，以保持文本主体的清晰。 假若时间允许，可以提供一个原型以更清楚地表示整个设计的概念。 GIS数据库的详细设计数据库的详细设计 主要包括五个方面的内容： 数据源的选择； 各种数据集的评价； 各数据集的设计； 数据字典的产生； 数据库具体存储和管理结构

11、的设计。数据源的选择数据源的选择 来源：地图；航空象片；GPS接收的数据；卫星象片；现有的各种电子数据文件；照片；各种记录性文件等。 1）国家各机构生产和维护的数据 2）省级政府生产和维护的数据 3）各级地方政府生产和维护的数据 4）商业团体的数据 5）非赢利性机构生产的数据各种数据的评价各种数据的评价1）数据一般状况评价）数据一般状况评价 数据的目前状态：包括数据是否已有电子版，工是否有机构正在生产数据电子版。 数据是否是一种标准形式：主要指该类数据是否在各政府机构式或商业团体生产的数据的标准化之列。 数据是否可以直接GIS使用：常常某些数据需要经过一定的处理以后才能与数据库中定义的数据相符

12、合。 数据的原始性；有些数据是由其他更原始的数据推导、综合而来。 数据的可替代性：常常对一种所需要的数据来说，会有多种来源，有些容易获得，有些则较难在决定使用哪一种时，应该将各种可能来源的数据均加以收集并仔细比较，再做定论。 数据与其他数据一致性：覆盖的地区是否一致比例尺是否相同，数据的地理控制点是否符合数据库的要求，在整个地区是否一致，投影是否与要求符合等 已存在的电子版数据的评价原则已存在的电子版数据的评价原则 1）数据格式：数据格式是一个很重要的因素，如果不与数据库设计的要求相吻合，势必要进行数据转换。 2）拓扑关系：GIS数据要求数据的特征之间保持应有的拓扑关系。 3）数据分辩率：对于

13、栅格数据，数据的分辩率是指象元的大小。 4）数据覆盖面及一致性：该数据是否能够覆盖整个的工作地区。 5）数据的可获得性：包括数据存储的媒介，适用的计算机平台和是否可以购买及免费提供。 6）样本数据：在数据评判过程，如果能够有机会获得该数据的样本将会对数据的感性认识大大地提高。 7）自动化过程实施的考虑：通常现有的数字化数据并不完全符合某一数据库设计的要求，可能需要做不同程度的加工才能入库。 8）数据的元数据信息是否完全：元数据是不关数的重要信息，它的顾在与否及质量直接影响到该数据的价值。2、数据空间特征的评价、数据空间特征的评价 1）空间特征的表达方式。 2）空间特征的连续性和闭合性。 3）表

14、示规则的比较。 4）空间数据地理控制信息的比较。 5）空间地理数据的系列性。 6）分类方法的比较和评价。 7）地理参考系统的一致性。3、数据属性特征的评价、数据属性特征的评价 1）属性的存在性。 2）属性数据与空间位置的匹配。 3）属性数据的编码系统。 4）属性数据的现适性。空间数据层的设计空间数据层的设计 1）属性数据类型的设计 2）编码标准的设计数据字典数据字典 1）数据字典的内容 2）数据文件的命名方法 3）数据字典的元数据内容。数据字典数据字典 1）数据字典的内容 数据库的总体组织结构； 数据库总体设计的框架； 数据层的详细内容定义及结构； 数据命名的定义； 元数据内容等。数据字典中各

15、数据层的详细内容定义及结构：数据字典中各数据层的详细内容定义及结构： 标题类信息：名称、类型、数据质量； 各层的有关文件、表、各表的项及各项的定义、有效值范围等； 地理参考方面要求满足的情况； 其它有便于说明和理解的文字或图表等； 各层空间及属性的质量控制规范； 各层编号系统与其它各标准编号系统的关系； 各层数据的使用与各应用类型的关系等。数据流图 1、 数据源点和数据终点 2、 加工（数据处理/变换） 3、 数据流 4、 文件（数据存储）具体步骤如下： 1） 确定系统边界，画出顶层数据流图。 2） 自项向下，对每个加工进行内部分解，画出分层数据流图。 3） 对数据流图进行复查求精。 在分层数

16、据流图求精过程中应该注意以下问题： 检查流入、流出加工的数据流的连续性。 控制单张数据流图的复杂性 父图与子图的数据平衡 终止加工分解的条件 局部文件 分解层次的均匀性问题数据词典 1、 数据流条目 数据流名称别名列表数据流组成来源去向处理特点（使用频率，数据量等）其他注释（格式、位置等） 数据流名称=数据项逻辑操作符数据项 例1：学生成绩单=课程编码+课程名+任课教师 1指导教师+学号+姓名+成绩（+备注） 在描述数据流组成时，常用符号有：=，+，1，（） =表示“定义为（等价于）” +表示“与” 1括号内用“1”分割的各项目选择出现一项 （） 括号内部分可以不出现 括号内部部分重复出现2数

17、据项条目 例数据流“仓储事务”中的数据项“零件”可以定义为 数据项零件 零件=零件号+零件名称+规格+（备注） 数据项零件号 零件号=Pxxxxxxx 说明：零件号由字母P开头的8个字符组成，后7个字符可以是字母或者数字3、 文件条目 文件名别名 记录定义 文件组织 存储介质描述 文件“学生成绩库”定义如下： 文件 学生成绩库学生成绩=学号+姓名+课程代码+成绩+必修1限选1任选学号：由8位数字组成姓名：24个汉字课程代码：字母C开关的8位字任串成绩：13位十进制整数 课 程 类 别 ： 1 位 标 识 符 ， 定 义 为 ： B 必 修X限选R任选 文件组织：以学号为关键字递增排列4） 加工

18、说明 结构化语言描述 判定树描述 判定表描述存储管理结构的设计存储管理结构的设计 1）数据的精度考虑）数据的精度考虑 一个数据库的精度不会因为采用自动化的数据采集过程而使其增高。 经数字化过的地理数据特征，其精度不会高于其原始地图。 数据库总体精度是最低精度部分的数据的精度 2）美国国家地图精度标准介绍）美国国家地图精度标准介绍 3）RDBMS对属性信息存储软件的选择对属性信息存储软件的选择 单独对属性信息的存储，可以使整个数据库的独立性提高，属性数据库可以单独地进行使用、维护和管理。 可以充分利用DBMS系统的各种高级功能。 属性数据库部分可以与其它GIS软件的空间数据部分相结合使用，不受开

19、发时软件的限制。4）空间数据库的管理）空间数据库的管理 数据使用权限的设置 数据库更新过程中的质量控制和安全性考虑 数据库的恢复能力 合理管理单元的设定 数据库系统的网络考虑实施规划实施规划 建立数据自动化处理方法； 2）实施质量控制的原则标准。 3）将整个实施规划与整个地理信息系统的实现相结合起来。自动化过程自动化过程 在数据库实施过程中需要实现的自动化过程可能是以下几种： 数据原始资料的采集：例如GPS数据的采集和摄影测量数据的采集。 数据的数字化过程：图形数据的数字化和属性数据的输入等。 数据的转换过程：现存的数据格式转换成数据库所需要的格式和定义。数据采集设计数据采集设计 1、直接的数

20、据采集方法、直接的数据采集方法 1）GPS方法 2）摄影测量方法 考虑以下几点： 控制点：如果该地区没有很好的大地控制点，则必须要先将一 种控制点网络建立后再行使用。 比例尺：摄影测量的比例尺与造价关系很大，在确定使用何种比例尺时，应根据数据库精度的要求，既不可使用太大比例尺，而使造价增高，也不应使用过小比例尺而失去应有的数据精度。 提取的特征：办提取数据库中所需要的特征。 数字正射影象数据：如果时间和费用允许的话，尽量产生数字正射影象数据。 多边形数据的提取：目前商用较广泛的与摄影测量方法有关的软件大多还是CAD类型的软件。 3）测量数据2、空间数据的数字化过程、空间数据的数字化过程 1）矢

21、量数据的手扶跟踪或数字化方式 2）扫描数字化方式 3）属性数据的自动化处理3、属性数据的数字化通常有四种方法、属性数据的数字化通常有四种方法 1）键入法； 2）使用光学的字符识别技术； 3）在数字化或矢量化的过程中赋值； 4）人工编辑。数据库的质量控制数据库的质量控制 1）空间数据质量控制）空间数据质量控制 a） 空间位置的几何精度； b）空间地理特征的完整性，是否所有的内容均数字化； c） 空间特征表达的完整性； d）空间数据的拓扑关系； e） 空间数据的地理参考系统是否正确，是否满足整个数据库使用的最低要求； 空间数据所使用的大地控制点的正确与否； 2）属性数据质量控制）属性数据质量控制

22、a） 属性表的定义是否符合数据库的设计； b）主关键项的定义和唯一性怎样； c） 各项的值是否在有效范围以内； d）各属性表的外部关键项是否正确； e） 关系表之间的关系表达得是否正确； f） 各数据项的完整性。3）常用的质量控制方法常用的质量控制方法开发进度的监控开发进度的监控 1）进度表法 2）区域图表法试点项目试点项目 1）测试数据库设计的合理性； 2）测式自动化部分是否有效； 3）测试产品的合格性试点项目实施的主要过程：试点项目实施的主要过程： 1）定义试点项目的范围 2）决定人员及速度安排 3）试点项目的展示和验收 4）根据试点项目的结果对数据库设计和实施计划进行修改 5）正式数据库

23、实施的开始GIS数据库设计过程数据库设计过程 第一步需求分析 第二步原型概念化设计 第三步GIS数据库的详细设计 第四步自动化方案制定 第五步试点项目实施 第六步数据库总体实施GIS数据库设计过程数据库设计过程 第一步需求分析 第二步原型概念化设计 第三步GIS数据库的详细设计 第四步自动化方案制定 第五步试点项目实施 第六步数据库总体实施概念化设计概念化设计 1）数据库的宏观地理定义：主要指对数据库比例尺、地图投影和坐标系统的定义。 2）数据库的地理特征设计；对于各种地理特征有关的属性数据中以什么几何形式表达进行设计。 3）数据库表格及其关系的设计表达：对与地理特征有关的属性数据在数据库中表达方式的设计。 4）数据库总体设计的评定；根据数据库的应用目的和数据