第2章_空间概念和数据模型

1、空间数据库第2章 空间概念和数据模型第2章 空间概念和数据模型本章内容l2.1 空间信息模型l2.2 数据库设计的三个步骤l2.3 趋势：用空间概念扩展ER模型l2.4 趋势：用UML构建面向对象数据模型l2.5 小结关键点l本章讲述空间数据库概念设计有关的技术；l空间概念、抽象、建模、数据模型、数据库设计；l场模型、对象模型。背景l传统数据库主要关心商务和管理应用领域；重点是高效安全地处理大量相对简单的事物；lGIS，CAD以及工程等具有明确的空间和几何成分的应用空间数据更为复杂，传统数据库不足以处理；空间数据库的设计和实现由应用领域专家解决；传统数据库设计和实现由计算机专家解决。2.1 空

2、间信息模型现实世界 （抽象） 信息世界 （转化） 数据世界 （建立概念模型） （建立数据模型） 模型： 对现实世界中的实体或对象的抽象或简化，是对实体或现象中的重要构成及其相互关系的表达，能反映事物固有的特征或运动变化规律。数学模型：变量 - 公式数据模型：类别 - 关系什么是模型？空间资料和数据l几何测量数据l取样数据l图纸数据建模依赖于建模对象的直接、间接的资料和数据资料和数据的分析不同领域对同一对象有不同的模型空间建模空间信息模型一个州立公园的例子用连续变量变量分布表达空间现象-场模型用离散类别类别分布表达空间现象-对象模型州立公园（State-Park）的SDB例子l 森林（Fores

3、t）l 道路 （ Road ） l 管理员（Manager）l 消防站（Fire-Station）l 设施（Facility）（野营地，办公室）l 河流（River）森林的场模型观点l 从函数的角度看，森林可建模成一个函数。l 定义域是森林占据的地理空间。值域是树种的集合；l 空间二维坐标连续取值，空间（X,Y）上任何一点都对应一个函数值f(x,y)。l 考虑森林分布，按林分对空间区域作穷尽划分。(0,4)(0,0)(0,2)(4,0)(2,0)橡树冷杉松树其他f(x,y) = “松树”， 0 x 2; 2y 4“冷杉”， 0 x 2; 0y 2xy“橡树”， 2 x 4; 0y 2 “0”，

4、 2 x 4; 2y 4场模型适合表达的空间现象l 物理参数温度、气压、湿度、电磁场、流体l 环境参数化学污染分布、地表化学元素分布森林的对象模型l 考虑f值发生变化的地方，在明确规定树种之间界限的情况下，可以得到多边形的边界。每个多边形都有一个唯一的标识和树种名称。得到二维空间中的离散对象及其坐标。(0,4)(0,0)(0,2)(4,0)(2,0)橡树冷杉松树其他xy多边形ID树种边界坐标FS1FS2FS3松树冷杉橡树(0,2),(2,2),(2,4),(0,4)(2,0),(4,0),(4,2),(2,2)(0,2),(2,2),(2,4),(0,4)对象模型适合表达的空间现象l 人工建筑

5、物 城市基础设施，道路、房屋、公园l 自然对象河流、湖泊、热带气旋、危险区域l 其他类别变量Network2.1.1 场模型的结构和操作l 场模型的3个组成部分 ：空间框架: 空间格网，（定义域：空间+自变量）场函数: fi: 空间框架 -属性域（Ai）场操作：对单个或多个场函数值的操作l 场模型的空间操作叠加操作 (局部操作) ：给定位置的新场值取决于同一位置的多个输入场值，（f+g）(x) = L( f(x), g(x) )，常用于地图综合。聚焦操作：给定位置的新场值取决于该位置的一个假定小邻域上的输入值，例如高程场的梯度，温度场梯度。带操作（区域操作）：例如计算区域的面积、平均值等。2.

6、1.2 对象模型l将空间信息抽象成明确的可标识的类别实体或事物，称之为对象，并加以命名（名称变量）。与场函数不同（数值变量）。l空间对象的主要特点是它的属性集，包括空间属性和非空间属性。场模型与对象模型的关系l空间域上对象集合的某些属性可以形成数据场；l对场模型数据按照区间值分割或划分可以形成空间对象。2.1.3 空间对象模型中的数据类型l属性数据类型：整型，浮点型，日期型等l基本空间数据类型：点、线、面、体1维2维3维OGC 空间对象几何体点面线空间参照系统几何体集合多面多线多边形线串2*多点1*1*线线性环多个多边形多个线串2*1*继承构成聚合SDTS的空间数据类型（对象类型）SDTS 对

7、象Oracle Spatial 的空间对象XML表示的空间对象 0.0,0.0 30.0, 50.0 60.0,100.0 70.0,50.0 100.0, 30.0 0.0, 0.0 0.00.0 100.0100.0 2.1.4 空间对象的操作l1）面向集合的操作并 (Union) 交 (Intersection) 包含属于2）面向拓扑的操作l找出所有与给定对象存在拓扑关系R的对象。l对象A和B之间存在什么样的拓扑关系R？l空间对象的拓扑关系类型Point-Surface; Curve-Surface; Surface-Surface例子：地块与危险弃物场规划带或线与洪泛区平面上二元拓扑关

8、系l基于以下的相交情况：A 的内部A，边界A以及外部AB 的内部B，边界B以及外部Bl九交矩阵9( , )ABABABA BABABABABABAB 交为空集：用0表示交为非空集：1两个空间对象的拓扑关系表表2-1 拓扑操作举例拓扑操作举例拓扑操作Endpoint (point, arc)点是弧的端点Simple-nonself-intersection (arc)非自交的弧On-boundary (point, region)温哥华在加拿大和美国的边界上Inside (point, region)明尼阿波利斯市在明尼苏达州内Outside (point, region)麦迪逊市在明尼苏达州之

9、外Open (region)加拿大的内部是个开域（不包括其边界）Close (region)Carleton郡是个闭域（包括其边界）Connected (region)瑞士是个连通域（对于区域上的任两点，都有完全内含在该区域上的路径将这两点连接起来），而日本不是连通域Inside (point, loop)点在环中Crosses(arc, region)路（弧）穿过森林（区域）Touches (region, region)明尼苏达州（区域）是威斯康星州（区域）的邻州Overlap(region, region)土地覆盖（区域）和土地利用（区域）相重叠空间对象的其他操作l 方位操作l 度量空间

10、操作非拓扑操作Euclidean-distance (point, point ）两点间的距离Direction (point, point)麦迪逊市在明尼阿波麦迪逊市在明尼阿波利斯市的东面利斯市的东面Length (arc)单位向量的长度是1个单位Perimeter (area)单位正方形的周长是4个单位Area (region)单位正方形的面积是1个平方单位2.1.5 动态空间操作l静态操作中操作对象不受操作的影响。l动态操作改变它所作用的对象。l三种基本的动态操作：创建 Create销毁 Destroy更新 Update将空间对象映射到JAVAl找出Maple野营地周围方圆10公里内的旅

11、游公司。Facility类Import java.lang.*Import java.io.*Import util.*public class Facilityprotected String name;protected String type;protected point location;将空间对象映射到JAVApublic Facility (String name, String type, Point location) =name; this.type=type; this.location=location; public bollean withinDi

12、stance(Facility f, double d) if (this.location.distance(f.location)d) return true; else return false; 2.2 数据库设计的三个步骤l 概念模型设计概念模型设计 （E-R）l 逻辑模型设计逻辑模型设计：与概念数据模型在商用DBMS上的具体设计实现（关系模型、层次模型、网状模型）有关。关系模型设计：关系表，属性，关系模式，逻辑一致性。关系查询语言SQL与 关系代数（详细在第三章讲）。关系数据模型（关系代数）并不能满足空间数据的建模要求 ；GIS与关系数据库之间还存在相当大的语义鸿沟。目前还没有广为

13、接受的地理信息数学模型，地图代数并不成熟。ArcGIS的Geodatabase提供了空间实体及其关系的要素-对象-关系模型，但不支持SQL查询操作。l 物理模型设计物理模型设计：空间存储、索引 (第4章) 。E-R模型（概念模型）l实体和属性现实世界被划分为 一个个实体（Entity），或对象；例如州立公园中的：河流、森林、设施实体由属性（Attributes）来描述其性质，唯一标识实体的属性或属性集称为码（Key）。属性包括名称和类型：类别、比例、数值（场）。属性的单值和多值：例如森林的空间多值属性（包括多个多边形）l联系实体间关系通过联系来关联表达；二元联系l一对一联系（1: 1） 管理者

14、与森林l多对一联系（M:1） 设施与森林l多对多联系（M:N ） 河流与设施基数（ Cardinality ）实体及其属性RiverNameLengthLineIDDischargeQualityFacility NameLengthLineID实体的联系RiverNameLengthLineIDDischargeQualityFacility NameLengthLineIDSupplies_water_toNMVolumeE-R图州立公园例子的ER图 l 个实体l 属性l 个联系逻辑设计：关系模型l1970年CODD提出，最流行的逻辑数据模型；l表称为一个关系（Relation），列称为属

15、性(Attribute)；l元组（或行）对应关系实例；l属性的取值范围称为域：整型、浮点型、字符型、日期型。不支持自定义类型和几何类型。关系模型中的约束l逻辑一致性要求，维护某些约束：码约束：每个关系必须有一个主码（primary Key）实体完整性：主码不能取空值 参照完整性：外码（foreign key）的属性值要么是另一个关系的主码值，要么为空值。将ER模型映射到关系模型l 通常有个基本步骤：（由CASE工具生成的ER图可以转化成关系模式：ERwin; Oracle Designer; Rational Rose.）l 将每个实体映射成一个独立的关系；l 1：1的联系，将任一实体的码属性

16、作为其他关系的外码；l M: 1的联系，“1”侧关系的主码作为“M”侧关系的外码。l M: N的联系，每个M: N联系被映射成一个新的关系，关系的名称就是联系的名称，关系的主码由参与实体的主码对组成。l 对于多值属性，创建一个有两列的新关系：一列为拥有该多值属性的实体的码，另一列为该多值属性。州立公园的例子：M:N联系映射为新表l Supplies_Water-To是Facility实体和River实体之间的一个M:N联系，河流和设施的名字组成主码，Volume为新表的一个属性。Supplies_Water-ToFacName RivName Volume(varchar) (varchar)

17、 (Real)州立公园的例子：多值属性l Forest-Stand有一个多值属性Polygonid。创建一个有两列的新关系：一列为拥有该多值属性的实体的码，另一列为该多值属性StandId (Integer) (Integer) Forest-Standard-GeomPolygonidE-R图州立公园例子的ER图 l 个实体l 属性l 个联系州立公园中森林林份的关系模式Forest-StandStand-id Species Forest-name(Integer) (varchar) (varchar)Forest-Stand-GeomStand-id Polygonid(Integer)

18、 (Integer)lM: 1的联系，“1”侧关系的主码作为“M”侧关系的外码。州立公园中实体和联系的关系数据库模式规则：（1）实体关系表（2）M:N联系关系表（3）多值的几何属性关系表空间表l 在关系数据库模型中，ER图中实体的空间属性必须用特殊的方式处理：空间属性被表示为新的关系：Pointid(Integer)Latitude(Real)Longitude(Real)Point Polygonid(Integer)Seq-no(Integer)Pointid(Integer)Polygon Lineid(Integer)Seq-no(Integer)Pointid(Integer)Lin

19、e2.3 用空间概念扩展ER模型l用形象图扩展ER模型增加空间实体的语义（Point, Line, Polygon）增加空间关系（拓扑关系，Part-of关系）l用类似于BNF（Bachus-Naur form巴克斯-诺尔范式 ）来表达空间扩展。BNF表示的实体象形图（1）象形图任意可能的形状用户定义形状基本形状复合形状导出形状备选形状BNF表示的实体象形图（2）形状BNF表示的实体象形图（）基本形状有哪些？BNF表示的实体象形图（）基本形状点线面BNF表示的实体象形图（）复合形状（）导出形状（）备选形状（）任意形状（）自定义形状BNF表示的联系象形图lPart-of用空间概念扩展ER模型 /

20、基本形状的语法点/线面基本形状的象形图2.4 趋势：用UML构建面向对象数据模型l面向对象语言促进了OODBMS的发展；lUML是用于面向对象软件设计的概念建模标准之一；l包括：类属性关系方法类、属性和关系 l 类：应用中所有具有相同性质的对象的抽象和封装。l 属性：描述类和对象的特征。+ 公有的属性：属性可以被任何类访问和操作；- 私有的属性：只有属性所在的类才能访问这个属性；# 受保护属性：从父类派生的类可以访问该属性。 l 关系聚合（aggregation）: 描述部分整体关系 泛化（generalization）:描述一般-特殊关系关联（association）: 描述不同类对象的对等

21、关系。l 方法 函数，类定义的一部分，用来修改类的行为或状态。UML例子Supplies_Water_To# VolumeRiver # Name# Length+GetName()Facility# Name+GetName()Supplies_water_toForest# Name# Geometry+GetName()Belongs_to*1. *1ER与UML的比较ERUML实体（Entity）关系（Relationship）属性（Attributes）码属性角色（Roles）综合与特化（Generalization&Specialization）类（Class）关联（Association）属性（Attributes） 方法角色（Roles） 综合与分类 （ Generalization&Classification）2.5 小结l 两种空间信息模型场模型对象模型l 空间信息模型中的数据类型矢量数据模型栅格数据模型l 空