第四章GIS空间数据库gis

1、 第四章第四章 GIS空间数据库空间数据库 空间数据库也叫地图数据库。空空间数据库也叫地图数据库。空间数据库的理论与方法是地理信息系间数据库的理论与方法是地理信息系统的核心问题之一。统的核心问题之一。 在数据在数据获取获取过程中，空间数据库过程中，空间数据库用于存储和管理地理信息；在用于存储和管理地理信息；在数据处数据处理、分析和数据输出阶段理、分析和数据输出阶段，它是地理，它是地理信息的提供者。信息的提供者。 数据库设计的合理性关系到整个数据库设计的合理性关系到整个地理信息系统工程的成败。地理信息系统工程的成败。 数据库数据库就是为了一定的目的，在就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结

2、构组织、计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据存储、管理和应用的相关联的数据集合。集合。 计算机对数据的管理经过了三计算机对数据的管理经过了三个阶段个阶段 ：人工管理阶段人工管理阶段 、文件管、文件管理阶段理阶段 、数据库管理阶段、数据库管理阶段1、数据库的概念、数据库的概念: 数据库的特点：数据库的特点： 数据集中控制数据集中控制 数据较少冗余数据较少冗余 具有较高的数据独立性具有较高的数据独立性 复杂的数据模型复杂的数据模型 数据共享数据共享 能为多种应用服务能为多种应用服务 统一的数据保护统一的数据保护数据库的组成：数据库的组成：数据集数据集物理存储介质物理存储介质

3、数据库软件数据库软件数据组织方式数据组织方式:n数据库中的数据组织一般可以分为数据库中的数据组织一般可以分为四级四级：数据项、记：数据项、记录、文件和数据库。录、文件和数据库。q1、数据项数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。数据项的取值范围，称为域。字段等。数据项的取值范围，称为域。 q2、记录记录：由若干相关联的数据项组成。：由若干相关联的数据项组成。 q3、文件文件：文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的：文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。集合。 q4、数据库数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是

4、具有特定联：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。间存在某种联系，不能孤立存在。 定义：定义：GISGIS空间数据库空间数据库-GSDB-GSDB是一是一种应用于地理空间数据处理与信息分种应用于地理空间数据处理与信息分析领域的具有工程性质的数据库析领域的具有工程性质的数据库，是是地理信息系统在计算机物理存储介质地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的

5、相关的地理空间数据上存储和应用的相关的地理空间数据的总和。的总和。 它所管理的对象主要是它所管理的对象主要是地理空间数地理空间数据据。 2、GIS空间数据库空间数据库图图 空间数据库的组织结构空间数据库的组织结构道 路 图1 1）数据量特别大）数据量特别大 2 2）数据种类多，复杂。且数据种类多，复杂。且属性数属性数据和空间数据并存，联系紧密据和空间数据并存，联系紧密3 3）数据应用面相当广）数据应用面相当广(1) 空间数据库存储系统：空间数据库存储系统：以特定结构的文件以特定结构的文件存储于介质上的地理空间数据的总和。存储于介质上的地理空间数据的总和。 (2) 空间数据库管理系统：空间数据库

6、管理系统：能对空间数据进行定能对空间数据进行定义、查询、检索、维护和更新的一套义、查询、检索、维护和更新的一套软件系统。软件系统。（功能扩展式如（功能扩展式如Oracle，空间数据库引擎如，空间数据库引擎如ESRI的的SDE）(3) 空间数据库应用系统：空间数据库应用系统：空间分析模型和应空间分析模型和应用模型所组成的软件。用模型所组成的软件。 从应用性质上空间数据库可分为基础从应用性质上空间数据库可分为基础地理空间数据库和专题数据库。地理空间数据库和专题数据库。基础地理空间数据库包括：基础地理空间数据库包括： DLG、DEM、DOM、DRG和元数据（和元数据（MD）专题数据库（专题数据库（T

7、D）包括：）包括： 土地利用数据、土地利用数据、地籍地籍数据、规划管理数据、道数据、规划管理数据、道路数据等。路数据等。 实质就是将地理空间实体以一定实质就是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库中加以表达的的组织形式在数据库中加以表达的过程，也就是过程，也就是GIS中空间实体中空间实体建立建立数据模型数据模型的过程。的过程。1、空间数据库的设计、空间数据库的设计: 数据模型数据模型是现实世界的规格化的说明。是现实世界的规格化的说明。具体地说，数据库的具体地说，数据库的数据结构、操作集合和数据结构、操作集合和完整性约束规则集合完整性约束规则集合组成了数据库的数据模组成了数据库的数据模型。型。

8、空间数据模型空间数据模型是对空间实体进行描述和是对空间实体进行描述和表达的手段，使之能反映实体的某些结构特表达的手段，使之能反映实体的某些结构特性和行为功能，性和行为功能，是衡量是衡量GIS功能强弱与优劣功能强弱与优劣的主要因素之一。的主要因素之一。 从这一角度来说，空间数据库的设计最终从这一角度来说，空间数据库的设计最终可以归结为空间数据库模型的设计。可以归结为空间数据库模型的设计。2、空间数据库的设计过程、空间数据库的设计过程: 图图P114需求分析：需求分析：与系统目的、用户需求相关；与系统目的、用户需求相关；概念设计：概念设计：解释用户需求，用概念模型表达，实现从现实世界到信息解释用户

9、需求，用概念模型表达，实现从现实世界到信息世界的抽象。世界的抽象。逻辑设计：逻辑设计：将信息世界的概念模型映射为计算机世界的数据模型（数将信息世界的概念模型映射为计算机世界的数据模型（数据库）；据库）；物理设计：物理设计：逻辑模型的存储设备的物理实现。逻辑模型的存储设备的物理实现。结构设计结构设计数据层设数据层设计计n 原则（原则（P115） 尽量减少空间数据存储的冗余度；尽量减少空间数据存储的冗余度； 提供稳定的空间数据数据结构，并能根提供稳定的空间数据数据结构，并能根据用户需求而迅速改变；据用户需求而迅速改变； 满足用户的访问需求并高效提供查询结满足用户的访问需求并高效提供查询结果；果；

10、应能反映数据间的复杂联系；应能反映数据间的复杂联系； 具有较强的应用适用性。具有较强的应用适用性。n 技术方法技术方法3、空间数据库的原则和技术方法、空间数据库的原则和技术方法: 三、三、空间数据库的空间数据库的实现实现和和维护维护: （P115P115-116-116）1、空间数据库的实现：、空间数据库的实现： 建立实际的空间数据库结构；建立实际的空间数据库结构； 以实验性数据进行系统测试；以实验性数据进行系统测试； 加载实际数据，实现空间数据库的建立。加载实际数据，实现空间数据库的建立。2、空间数据库的运行与维护、空间数据库的运行与维护一、语义数据模型一、语义数据模型 语义语义是指数据本身

11、具有的表达数据属性及是指数据本身具有的表达数据属性及其关系的能力。其关系的能力。1、概念：、概念：是由若干种抽象所组成，用这些是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述客体的基本语义特性，再根据语抽象来描述客体的基本语义特性，再根据语义模型规则把这些抽象有机地组织起来。如义模型规则把这些抽象有机地组织起来。如实体联系模型实体联系模型（E-R模型）模型）u 实体：实体：是对客观存在的一种抽象。是对客观存在的一种抽象。矩形表示矩形表示u 联系联系：是客体间有意义的相互作用或对应关系。是客体间有意义的相互作用或对应关系。u 属性：属性：是对实体和联系特征的描述。是对实体和联系特征的描述。椭圆形表示椭圆形

12、表示数据间的逻辑联系数据间的逻辑联系 数据间的逻辑联系主要数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联是指记录与记录之间的联系。系。 1）一对一的联系（）一对一的联系（1：1） 2）一对多的联系（）一对多的联系（1：N） 3）多对多的联系（）多对多的联系（M：N）A BABA BABA BAB2、采、采用用E-R模型模型建立数据库的步骤：建立数据库的步骤： 设计局部的设计局部的E-R模型：见书模型：见书P117图图4-6. 设计全局的设计全局的E-R模型：模型： 全局全局E-R模型的优化：实体类型尽可能少，所模型的优化：实体类型尽可能少，所含属性尽可能少，实体类型之间联系无冗余。含属性尽可能少，

13、实体类型之间联系无冗余。优化的方式：优化的方式： 把有联系的实体类型合并；把有联系的实体类型合并； 冗余属性的消除；冗余属性的消除； 冗余联系的消除。冗余联系的消除。 1 1、基本思想：基本思想：我们通过对问题领域进行我们通过对问题领域进行自然分割，用更接近人类通常思维的方式建自然分割，用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，从而将客观世界的一切立问题领域的模型，从而将客观世界的一切实体实体模型化为对象模型化为对象。 每一种对象都有各自的每一种对象都有各自的内部状态内部状态（结构（结构模拟）和模拟）和运动规律运动规律（行为模（行为模拟）；拟）；不同对象不同对象之间的相互联系和相互作用就构

14、成了各种不之间的相互联系和相互作用就构成了各种不同的系统，并使系统尽可能地直接表现出问同的系统，并使系统尽可能地直接表现出问题的求解过程。题的求解过程。 二、面向对象的数据模型二、面向对象的数据模型对象的数学本质及其特征：对象的数学本质及其特征： 一个对象一个对象objectobject是一个三元组：是一个三元组： objectobject(ID(ID，S S，M)M)IDID为为对象标识对象标识，以表明其存在的独立性；，以表明其存在的独立性；S S为为对象的内部状态对象的内部状态，它是一组描述对象特征的属性，它是一组描述对象特征的属性，以表明其在某一时刻的状态它可以直接是以表明其在某一时刻的

15、状态它可以直接是属性值，属性值，也可以是另外一组对象的集合；也可以是另外一组对象的集合；M M为为方法集方法集，由多个操作组成，用以改变对象的状态。，由多个操作组成，用以改变对象的状态。 2 2、面向对象方法中的一些基本概念、面向对象方法中的一些基本概念：（1 1） 对象：对象：ObjectObject 含有数据和操作方法的独立模块含有数据和操作方法的独立模块, ,是是数据和行为的统一体。如一个城市、一数据和行为的统一体。如一个城市、一棵树都可作为一个对象。棵树都可作为一个对象。 GISGIS中的地理对象：描述一个地理实中的地理对象：描述一个地理实体的空间和属性数据以及定义一系列对体的空间和属

16、性数据以及定义一系列对实体有意义的操作函数的统一体。实体有意义的操作函数的统一体。-对象，类，消息，方法，协议，封装对象，类，消息，方法，协议，封装（2 2） 对对 象象 类：类：ClassClass 共享同一属性和方法集的所有对象的集合，共享同一属性和方法集的所有对象的集合，简称类。简称类。从一组对象中抽象出公共的方法和属从一组对象中抽象出公共的方法和属性，并将它们保存在同一个类中，性，并将它们保存在同一个类中，这是面向对这是面向对象方法的核心内容。象方法的核心内容。如河流均具有共性，如名如河流均具有共性，如名称、长度、河流面积等，以及相同的操作方法，称、长度、河流面积等，以及相同的操作方法

17、，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。象为河流类。（3 3）实例）实例 被抽象的对象，类的一个具体对象，如长被抽象的对象，类的一个具体对象，如长江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。在河流的例子。 类描述了类描述了实例实例的共有形式的共有形式(属性等属性等)以及作以及作用于类中对象上的操作用于类中对象上的操作(方法方法)。每个对象都是。每个对象都是这个类的一个实例，对象与类的关系是这个类的一个实例，对象与类的关系是instanceof的关系。类的关系。类申请实例申请实例成为具体对象。成为

18、具体对象。（4 4）方法和消息：）方法和消息：对同一个类所定义的所有操作称为对同一个类所定义的所有操作称为方法方法，对类的操作是由方法来具体实现的。对类的操作是由方法来具体实现的。消息消息是是对象之间的请求与协作。如鼠标点就是消息；对象之间的请求与协作。如鼠标点就是消息；点某按钮，就是对按钮提出请求。点某按钮，就是对按钮提出请求。另外，消息还分另外，消息还分公有消息公有消息和和私有消息私有消息，对象之间发送的消息，叫公有消息，对象自对象之间发送的消息，叫公有消息，对象自己向本身发送的消息，叫私有消息。己向本身发送的消息，叫私有消息。（5 5） 协协 议：议： 协议协议是一个对象对外服务的说明，

19、是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可以为外界做什么；它告知一个对象可以为外界做什么；它是由一个对象能够接受并且愿意接它是由一个对象能够接受并且愿意接受的所有消息构成的对外接口。受的所有消息构成的对外接口。 外界对象能够并且只能向该对象外界对象能够并且只能向该对象发送协议中所提供的消息，请求该对发送协议中所提供的消息，请求该对象服务。象服务。是对现实世界的简明表示。形是对现实世界的简明表示。形成对象的关键是抽象，对象是抽象成对象的关键是抽象，对象是抽象思维的结果思维的结果1 1）抽象性：）抽象性：3 3、面向对象的特性、面向对象的特性封装是指将方法与数据存放于一个封装是指将方法与数据存放于

20、一个对象中，以使对数据的操作只可通过该对象中，以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行。对象本身的方法来进行。 即一对象不能直接作用于另一对象的即一对象不能直接作用于另一对象的数据，对象间的通信只能通过消息来进数据，对象间的通信只能通过消息来进行。对象是一个封装好的独立模块。行。对象是一个封装好的独立模块。2 2）封装性：）封装性：3 3、面向对象的特性、面向对象的特性 是指同一对象被不同对象接收时，可是指同一对象被不同对象接收时，可解释为不同的含义。解释为不同的含义。 同一消息，对不同对象，功能不同。同一消息，对不同对象，功能不同。功能重载（参数）功能重载（参数）多态，简化消息，多态，

21、简化消息，但功能不减。但功能不减。3 3）多态性：）多态性：3 3、面向对象的特性、面向对象的特性1 1) )分分 类：类： 分类是把一组具有相同属性结构和分类是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。共类的过程。 对象和类的关系是对象和类的关系是“实例实例”的关的关系；系；(instance-of)(instance-of)。4 4、面向对象模型的核心技术：、面向对象模型的核心技术：-分类，概括，聚集，联合分类，概括，聚集，联合 2 2) ) 概概 括：括： 概括是把几个类中某些具有部分概括是把几个类中某些具有部分公共特征的属性和操

22、作方法抽象出公共特征的属性和操作方法抽象出来，形成一个更高层次、更具一般来，形成一个更高层次、更具一般性的超类的过程。性的超类的过程。 子类子类和和超类超类用来表示概括的特用来表示概括的特征，表明它们之间的关系是征，表明它们之间的关系是“即即是是”(is-a)(is-a)关系，子类是超类的一关系，子类是超类的一个特例。个特例。如多边形对象类和弧段对象如多边形对象类和弧段对象类概括形成空间对象类类概括形成空间对象类 聚集是将几个聚集是将几个不同类不同类的对象组合的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。成一个更高级的复合对象的过程。 “ “复合对象复合对象”用来描述更高层用来描述更高层次的对象，次

23、的对象，“部分部分”或或“成分成分”是复合对象的组成部分。是复合对象的组成部分。“成分成分”与与“复合对象复合对象”的关系是的关系是“部部分分”(partsof)(partsof)的关系。的关系。如多边如多边形对象类和弧段对象类聚集形成图层形对象类和弧段对象类聚集形成图层对象类。对象类。3 3） 聚聚 集集：4 4）联）联 合：合： 联合是将联合是将同一类对象中同一类对象中的几的几个具有部分相同属性值的对象组个具有部分相同属性值的对象组合起来，形成一个更高水平的合起来，形成一个更高水平的集集合对象合对象的过程。的过程。 术语术语“集合对象集合对象”描述的是描述的是由联合而构成的更高水平的对象，

24、由联合而构成的更高水平的对象，有联合关系的对象互称为成员有联合关系的对象互称为成员(member-of) 。 1 1） 继继 承承： 是现实世界中对象之间的一种独特关系，它使是现实世界中对象之间的一种独特关系，它使得某类对象可以自然地拥有另外一类对象的某些特得某类对象可以自然地拥有另外一类对象的某些特征和功能。征和功能。继承性有双重作用：继承性有双重作用： 减少代码的冗余减少代码的冗余 通过协调性简化对象类相互之间的接口和界面通过协调性简化对象类相互之间的接口和界面 5 5、面向对象模型的核心工具：、面向对象模型的核心工具：-继承，传播继承，传播单重继承和多重继承单重继承和多重继承： 指仅有一

25、个直接父类的继承，要求每一个指仅有一个直接父类的继承，要求每一个类最多只能有一个中间父类，这种限制意味类最多只能有一个中间父类，这种限制意味着一个子类只能属于一个层次，而不能同时着一个子类只能属于一个层次，而不能同时属于几个不同的层次。属于几个不同的层次。 单重继承可以构成树形层次，最高父类单重继承可以构成树形层次，最高父类在顶部，最特殊的子类在底在顶部，最特殊的子类在底部。部。1.1.单重继承：单重继承： 允许子类有多于一个的直接父类的继承。允许子类有多于一个的直接父类的继承。多重继承允许几个父类的属性和操作传给一个多重继承允许几个父类的属性和操作传给一个子类，这就不是层次结构。子类，这就不

26、是层次结构。 2.2.多重继承：多重继承： 传播是一种作用于聚集和联合传播是一种作用于聚集和联合的工具，用于描述复合对象或集的工具，用于描述复合对象或集合对象对成员对象的依赖性并获合对象对成员对象的依赖性并获得成员对象的属性的过程。得成员对象的属性的过程。 它通过一种强制性的手段将它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合成员对象的属性信息传播给复合对象。对象。 2 2）传）传 播播：( (1)1) 继承服务于概括，服务于概括，而传播继承服务于概括，服务于概括，而传播作用于联合和聚集；作用于联合和聚集；( (2)2) 继承是从上层到下层，应用于类，而传继承是从上层到下层，应用于类，而

27、传播是自下而上，直接作用于对象；播是自下而上，直接作用于对象；( (3)3) 继承包括属性和操作，而传播一般仅涉继承包括属性和操作，而传播一般仅涉及属性；及属性；( (4)4) 继承是一种信息隐含机制，而传播是一继承是一种信息隐含机制，而传播是一种强制性工具。种强制性工具。3 3）继承和传播的区别：）继承和传播的区别： 从几何方面划分，从几何方面划分，GISGIS的各种地物对象的各种地物对象为点、线、面状地物以及由它们混合组为点、线、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物。每一种几何地物又可能成的复杂地物。每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成。由一些更简单的几何图形元素构成。 每个

28、地物对象都可以通过其标识号和每个地物对象都可以通过其标识号和其属性数据联系起来。若干个地物对象其属性数据联系起来。若干个地物对象（地理实体）可以作为一个图层，若干（地理实体）可以作为一个图层，若干个图层可以组成一个工作区。在个图层可以组成一个工作区。在GISGIS中可中可以开设多个工作区。以开设多个工作区。 6 6、面向对象的数据模型：、面向对象的数据模型：面向对象的几何数据模型：面向对象的几何数据模型： 关系数据模型和关系数据模型和RDBMSRDBMS基本上适应基本上适应于于GISGIS中属性数据的表达与管理。中属性数据的表达与管理。 但若采用面向对象的数据模型，语但若采用面向对象的数据模型

29、，语义将更加丰富，层次关系也更明确。义将更加丰富，层次关系也更明确。 可以说，面向对象数据模型是在可以说，面向对象数据模型是在包含包含RDBMSRDBMS的功能基础之上，增加了的功能基础之上，增加了面向对象数据模型的面向对象数据模型的封装、继承和封装、继承和信息的传播信息的传播等功能。等功能。面向对象的属性数据模型：面向对象的属性数据模型：以土地利用管理以土地利用管理GISGIS为例的面向对象的为例的面向对象的属性数据模型属性数据模型 7、面向对象数据库系统的实现方、面向对象数据库系统的实现方式式n扩充面向对象程序设计语言（扩充面向对象程序设计语言（OOPL），），在在OOPL中增加中增加DB

30、MS的特性的特性n扩充扩充RDBMS，在，在RDBMS中增加面向对中增加面向对象的特性象的特性n建立全新的支持面向对象数据模型的建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS 1 1、概念、概念: :层次模型是一种层次模型是一种树结构树结构模型模型，它把数据按自然的层次关，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。隶属关系。 一、层次模型：一、层次模型：例例1 1将下图表示的地理实体将下图表示的地理实体E E及其空间关系用及其空间关系用层次模型予以表示。层次模型予以表示。 例一、例一、转换结果：转换结果：2、特点特点:是地理数据组织成有向有序的树结是

31、地理数据组织成有向有序的树结构，也叫构，也叫树形结构树形结构。结构中的结点代表数据。结构中的结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系关系(一对多的关系一对多的关系)。 层次模型反映了现实世界中实体层次模型反映了现实世界中实体间的层次关系，层次结构是众多空间间的层次关系，层次结构是众多空间对象的自然表达形式，并在一定程度对象的自然表达形式，并在一定程度上支持数据的重构。但其应用时上支持数据的重构。但其应用时存在存在局限：局限： 1 1）由于层次结构的严格限制，对）由于层次结构的严格限制，对任何对象的查询必须始于其所在层次任何对象的查询必须始于其

32、所在层次结构的根，使得低层次对象的处理结构的根，使得低层次对象的处理效效率较低。率较低。3 3、层次模型的局限性：、层次模型的局限性：2）它不能直接表示某类实体同其他）它不能直接表示某类实体同其他n类类实体间可能存在的隶属关系。实体间可能存在的隶属关系。层次模型也不能直接表示两类实体间层次模型也不能直接表示两类实体间的的m：n关系。关系。 3）模拟多对多联系时导致物理存贮上）模拟多对多联系时导致物理存贮上的冗余。的冗余。 4）数据独立性差，数据更新如插入、数据独立性差，数据更新如插入、删除等操作复杂，涉及多指针。删除等操作复杂，涉及多指针。 3 3、层次模型的局限性（续）：、层次模型的局限性（

33、续）： 网状模型将数据组织成网状模型将数据组织成有向图有向图结构结构，图中的，图中的结点结点代表数据记录，代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。连线描述不同结点数据间的联系。 这种数据模型的基本特征是：这种数据模型的基本特征是：结点数据之间结点数据之间没有明确的从属关系，没有明确的从属关系，结点之间的联系是任意的，结点之间的联系是任意的，可表示可表示多对多多对多的关系。的关系。二、网状数据模型：二、网状数据模型：例例2 2 将下图表示的地理实体将下图表示的地理实体E E及其空间关系用网状及其空间关系用网状模型予以表示。模型予以表示。 例二例二. 转转 换换 结结 果：果： 例二例二.结点

34、：结点：记录记录有关地理要有关地理要素的数据记素的数据记录录连线：连线：记记录有关地录有关地理要素之理要素之间的联系间的联系 网络模型在一定程度上支持数据的网络模型在一定程度上支持数据的重构，具有一定的共享特性，并且运行重构，具有一定的共享特性，并且运行效率较高。但它应用时效率较高。但它应用时存在以下问题：存在以下问题： 1 1、网状结构的复杂，增加了用户查、网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。询和定位的困难。 2 2、网状数据操作命令具有过程式性、网状数据操作命令具有过程式性质。质。 3 3、不直接支持对于层次结构的表达，、不直接支持对于层次结构的表达，数据修改困难。数据修改困难。网

35、状模型的局限：网状模型的局限：1 1、关系模型的逻辑数据结构：关系模型的逻辑数据结构： 在关系模型中，数据的逻辑结构为在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的满足一定条件的二维表二维表，表具有固定的，表具有固定的列数和任意的行数。列数和任意的行数。 二维表是二维表是同类实体的各种属性的集同类实体的各种属性的集合，合，每个实体对应于表中的一行，表中每个实体对应于表中的一行，表中的列表示属性。的列表示属性。满足一定条件的规范化满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。关系的集合，就构成了关系模型。三、关系模型：三、关系模型：2、关系数据模型的一些基本概念：关系数据模型的一些基本概念：（

36、1）关系：关系：一个二维表，行对应一个元组，列对应一个二维表，行对应一个元组，列对应一个域；每一列取个名字，称为属性。一个域；每一列取个名字，称为属性。（2）关键字：关键字：某一唯一标识一个元组的属性组，主某一唯一标识一个元组的属性组，主关键字对应的是主属性；关键字对应的是主属性；（3）关系模式：关系模式：关系的描述，包括关系名、属性名、关系的描述，包括关系名、属性名、属性向域的映射（属性的类型、长度等）；属性向域的映射（属性的类型、长度等）；（4）关系数据库：关系数据库：一系列关系的集合。有型、值之一系列关系的集合。有型、值之分，型是对数据库的描述，值是关系的集合；分，型是对数据库的描述，值

37、是关系的集合；（5）关系完整性：关系完整性：关系的正确性、相容性和有效性。关系的正确性、相容性和有效性。包括：实体完整性、参照完整性、用户定义的完整性。包括：实体完整性、参照完整性、用户定义的完整性。1 1）实体完整性：）实体完整性：每个表有一个明确每个表有一个明确 的主的主关键字，主关键字是一个或者多个属性的集关键字，主关键字是一个或者多个属性的集合。合。2 2）参照完整性：）参照完整性：要求要求RDBMSRDBMS保持其保持其 外来关外来关键字与它相应的主关键字一致，外来关键字键字与它相应的主关键字一致，外来关键字是一个表的主关键字但它又嵌入另一个表中。是一个表的主关键字但它又嵌入另一个表

38、中。3 3）用户定义的完整性：）用户定义的完整性：由应用环境决定，由应用环境决定，并针对某一具体数据库的约束条件必须满足并针对某一具体数据库的约束条件必须满足的规则。的规则。 表的完整性规则：表的完整性规则：3、 表的操作符：表的操作符： SQLSQL（Structured Query Structured Query LanguageLanguage）语言提供了表的操作符，它的功能包语言提供了表的操作符，它的功能包括：查询括：查询QueryQuery、操纵、操纵ManipulationManipulation、定义定义DefifitionDefifition和控制和控制ControlCont

39、rol四个四个方面。方面。 SQLSQL是一个综合的、通用的、功能是一个综合的、通用的、功能强大的关系数据库语言。强大的关系数据库语言。 1 1）视图（）视图（ViewView）：）：一个虚表，即视图所对应的数一个虚表，即视图所对应的数据并不是存储在视图中，而是存在导出它的一个据并不是存储在视图中，而是存在导出它的一个或多个表中。或多个表中。2 2）范式）范式: :关系满足某种规范化的形式。关系满足某种规范化的形式。用来避免用来避免表修改操作的逻辑不一致性的一些规则集，范式表修改操作的逻辑不一致性的一些规则集，范式有多种层次，高级范式可以对低级范式增加约束有多种层次，高级范式可以对低级范式增加

40、约束条件。条件。 有第一范式（有第一范式（1NF1NF）、）、第二范式（第二范式（2NF）、第三范式）、第三范式（3NF）、）、BC范式（范式（BCNF）. 第一范式（第一范式（1NF）是一个关系模式所要遵循的最基本）是一个关系模式所要遵循的最基本的条件，的条件，即关系中的每个属性必须是原子的、不可分割的即关系中的每个属性必须是原子的、不可分割的数据项。数据项。1NF也是其他范式成立的前提条件。也是其他范式成立的前提条件。4 、视图和范式：、视图和范式：、例例3 3将下图表示的地理实体将下图表示的地理实体E E及其空间关及其空间关系用关系模型予以表示。系用关系模型予以表示。 例三例三. 转转

41、换换 结结 果：果： ( (1 1) )关系模型通过规范化的关系为用户提关系模型通过规范化的关系为用户提供一种供一种简单的用户逻辑结构简单的用户逻辑结构；能够以简单、；能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相互间关系，使用与维护也很方便互间关系，使用与维护也很方便 。 ( (2 2) )具有严密的数学基础和操作代数基础具有严密的数学基础和操作代数基础，如关系代数、关系演算等，可将关系分开，如关系代数、关系演算等，可将关系分开，或将两个关系合并，使数据的操纵具有高度或将两个关系合并，使数据的操纵具有高度的灵活性。的灵活性。6 6、关系模型的特点：、

42、关系模型的特点： 优点：优点：6 6、关系模型的特点：、关系模型的特点： 缺点：缺点： 实现效率不够高实现效率不够高。 描述对象语义的能力较弱描述对象语义的能力较弱。 不直接支持层次结构。不直接支持层次结构。 模型的可扩充性较差模型的可扩充性较差。四、标准四、标准DBMS存储空间数据的局限性存储空间数据的局限性n空间数据记录是变长的，而一般的数据库都只允许把记空间数据记录是变长的，而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定。录的长度设定为固定。n在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷。在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷。n一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加一

43、般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。等基本操作。n不能支持复杂的图形功能。不能支持复杂的图形功能。n单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持。也难以支持。n难以保证具有高度内部联系的难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的数据记录需要的复杂的安全维护。安全维护。五、五、GIS中空间数据库的组织形式中空间数据库的组织形式n混合结构模型混合结构模型n扩展结构模型扩展结构模型n统一数据模型统一数据模型 q属性数据存储在常规属性数据存储在常规RDBMS上，数据存储和检索比较可上，数据存储和检索比

44、较可靠、有效；靠、有效；q空间数据存储在空间数据管理系统中，功能较弱，特别是空间数据存储在空间数据管理系统中，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。用数据库要逊色得多。q两个子系统之间采用一种标识符联系起来。两个子系统之间采用一种标识符联系起来。q属性数据与空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到属性数据与空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。破坏。qGIS软件：软件：SuperMap，ArcGIS，MGE，SICARD、GENEMAP等。等。空空间间数数据据属属性性数数据据ID数数据据库

45、库数数据据库库早早期期图形用户界面图形用户界面图形处理图形处理DBMS属性用户界面属性用户界面图形图形文件库文件库属性属性数据库数据库GIS用户界面用户界面图形处理图形处理DBMS图形图形文件库文件库属性属性数据库数据库高级语言高级语言ODBC协议协议GIS用户界面用户界面图形处理图形处理DBMS图形图形文件库文件库属性属性数据库数据库高级语言高级语言数据库开发语言数据库开发语言数据库开发数据库开发数据库开发数据库开发q属性数据、空间数据同时采用关系数据库进行管理；属性数据、空间数据同时采用关系数据库进行管理；q在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层在标准的关系数据库上增加空间数据

46、管理层，即利用该层将地理结构查询语言将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的转化成标准的SQL查询，查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。q空间数据和属性数据不必进行繁琐的连接，数据存取空间数据和属性数据不必进行繁琐的连接，数据存取较快；较快；q空间数据属间接存取，效率比空间数据属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作。特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作。qGIS软件：软件： SuperMap，ArcGIS， System9，Small World、Geovision等。等

47、。GIS界面界面空间数据处理空间数据处理RDBMS空间空间数据库数据库扩充实体类型扩充实体类型（点、线、面等）（点、线、面等）q在开放型在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功基础上扩充空间数据表达功能，空间扩展完全包含在能，空间扩展完全包含在DBMS中。中。q解决了空间数据变长记录的存储问题，效率解决了空间数据变长记录的存储问题，效率较高。较高。qGIS软件：软件： SuperMap，ArcGIS， TIGRIS，Geo+、Geo Tropics等。等。GIS界面界面属性数据属性数据（定长记录）（定长记录）空间数据空间数据（变长记录）（变长记录）RDBMS空间空间数据库数据库关系表关系表二进

48、制块二进制块六、空间数据库管理系统（六、空间数据库管理系统（SDBMS）n文件文件关系型数据库管理系统关系型数据库管理系统n全关系型数据库管理系统全关系型数据库管理系统n对象对象关系型数据库管理系统关系型数据库管理系统 n纯对象型数据库管理系统纯对象型数据库管理系统1 1、文件和关系数据库管理系统、文件和关系数据库管理系统 文件和关系数据库管理系统是在文件和关系数据库管理系统是在2020世纪世纪8080年代的关系数据库的出现的基础上而产生的年代的关系数据库的出现的基础上而产生的空间数据管理模式。空间数据管理模式。 2020世纪世纪9090年代很多国内外年代很多国内外GISGIS软件均采用这软件

49、均采用这种空间数据管理模式，如种空间数据管理模式，如ArcInfoArcInfo、MapInfoMapInfo等。等。n基本结构图基本结构图GIS系统系统图形用户界面图形用户界面 属性用户界面属性用户界面图形数据管理图形数据管理DBMS图形数据图形数据文件文件属性属性数据库数据库IDn特点特点空间图形数据和属性数据分开存储；空间图形数据和属性数据分开存储；图形数据用文件系统存储，属性数据用图形数据用文件系统存储，属性数据用RDBMS存储，用惟一存储，用惟一的标识符或内部连接码将属性数据和图形数据联系起来，统一的标识符或内部连接码将属性数据和图形数据联系起来，统一管理。管理。在空间数据的组织上，

50、垂直方向分图层管理，水平方向分图在空间数据的组织上，垂直方向分图层管理，水平方向分图幅管理；幅管理；属性数据和图形数据分开存储；属性数据和图形数据分开存储；数据一致性维护困难，即数据一致性、完整性、安全性差，系数据一致性维护困难，即数据一致性、完整性、安全性差，系统查询运算、模型操作运算速度慢。统查询运算、模型操作运算速度慢。属性数据和图形数据分开存储，数据分布和共享困难，对属性数据和图形数据分开存储，数据分布和共享困难，对C/S、B/S网络结构体系支持能力差，很难适应网络环境下对数网络结构体系支持能力差，很难适应网络环境下对数据并发操作和一致性操作的要求。据并发操作和一致性操作的要求。这种管

51、理方式缺乏表示空间对象及其关系的能力，不能建立真正意义上的空间数据这种管理方式缺乏表示空间对象及其关系的能力，不能建立真正意义上的空间数据库，随着信息技术的发展，空间数据管理将不采用这种方式。库，随着信息技术的发展，空间数据管理将不采用这种方式。2、全关系型空间数据管理系统n全关系型空间数据管理系全关系型空间数据管理系统统：将非结构空间图形数：将非结构空间图形数据作为二进制对象，存储据作为二进制对象，存储在关系数据库的二进制块在关系数据库的二进制块中，将属性数据存储在数中，将属性数据存储在数据表的列中，由关系型数据表的列中，由关系型数据库统一管理。据库统一管理。 基本结构图基本结构图GIS系统

52、系统RDBMS+扩展部分扩展部分关系和属性关系和属性数据库数据库n特点特点对空间数据统一管理；对空间数据统一管理；将图形数据存储在二进制数据块中；将图形数据存储在二进制数据块中；描述空间关系涉及一系列关系连接运算，结构且费时；描述空间关系涉及一系列关系连接运算，结构且费时；实现空间实现空间SQL查询要附加接口。查询要附加接口。（此模式只适用功能简（此模式只适用功能简单的单的GIS）便于数据维护省去了大量图形数据和属性数据的连接操作，提高了查询速度3、对象关系型空间数据库管理系统n对象对象关系型空间数据库管理系统：关系型空间数据库管理系统：是是通用通用RDBMS的扩展的扩展，是，是在在RDBMS中增加空间数中增加空间数据管理专用模块据管理专用模块，定义了操纵点、线、面、，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的圆等空间对象的API函数，以解决空间数据函数，以解决空间数据的变长记录的管理，使空间数据管理的效率的变长记录的管理，使空间数据管理的效率明显提高。明显提高。n基本结构图基本结构图GIS应用系统应用系统空间数据空间数据属性数据属性数据专用空间数据专用空间数据管理层管理层+索引索引标准标准RDBMS空间数据空间数据管理模块管理模块n特点特点空间数据和属性数据的联结由空间数据管理模空间数据和属性数据的联结