空间数据库系统的设计与实现B课件

1、空间数据库系统的设计与实现 在第七章的第一部分介绍了空间数据的特征、规范与标准以及空间数据的逻辑预处理（包括分幅、分层和分专题要素）。在这一部分将介绍空间数据库的概念设计和逻辑设计，它是空间数据库设计的主要内容。教学提纲三、空间数据库的概念设计 四、空间数据库的逻辑设计 退出三、空间数据库的概念设计 （一） 空间数据需求分析 （二） E-R模型 （三） 空间数据库的概念模型设计 返回空间数据需求分析步骤用户需求调查分析空间数据现状系统分析E-R模型 描述： E-R模型是构建信息系统或数据库概念模型的一种有效工具或有效方法（也称为E-R方法）。组成：实体类（简称实体）、关系类（简称关系）和属性分

2、类：基本E-R方法、扩展E-R方法、空间E-R方法基本E-R方法 由Peter Chen于1976年提出特点：强调实体间的关系，而非实体的属性 目的：试图建立一个统一的数据模型，以概括层次、网状和关系三个传统的数据模型；作为三种传统数据模型相互转换的中间数据模型；作为超脱数据库管理信息系统的一种概念模型，以比较自然的方式描述现实世界。 表示方法：E-R图。其中，实体用方框表示，属性用椭圆表示，关系用菱形表示。 属性 描述：它是实体的特征。一个实体总是通过其属性来描述的，对实体的管理和分析的操作是通过对属性的操作来实现的。 关系/联系 描述：它指的是实体之间的联结，可以有自己的属性。一般地，实体

3、和属性是数据库的存储对象，而关系是数据库所要进行的查询操作。 种类：拥有/属于关系、集/子集关系、父/子关系、实体的组成关系等。又可分为一对一、一对多、多对一、多对多等关系类型。E-R图示例(大学数据库 )教师年龄姓名性别职称工资地址 所属教研室讲授课程邮编市单位学校信箱教师教室课程名学时数内容T_S_C教研室地点名称编号所属系系地点名称编号系主任学生性别姓名年龄年级B_DN1S_D1NT_DN1多值属性联系型返回分化与综合 分化：即把一个实体或类按某一特征分为几个实体集。 设有实体集E，如果F是E的某些真子集的集合，即F=Si | SiE，i=1，2，n，则称F是E的一个分化，E是S1，S2

4、，Sn的超实体集，S1，S2，Sn是E的子实体集。综合：它是分化的逆过程。 返回聚集 描述：由联系及参与联系的实体组合而成的新实体。即允许联系参与联系，而在基本E-R方法中是不允许的。 返回空间E-R方法 E-R方法在GIS中的应用分为两类：直接应用。如属性数据库概念模型设计空间E-R方法。根据空间数据的空间特性对基本E-R方法和扩展E-R方法进行改进，它最初由Calkins提出，在GIS中具有较成功的应用 空间实体及其表达 空间实体与一般实体区别：它具有空间特性。即它除了作为一般实体的普通属性外，还具有不同于一般实体的空间属性。三种空间实体类型（Calkins定义）：有空间属性对应的一般实体

5、；有空间属性对应的需用多种空间尺度（类型）表 达的实体；有空间属性对应的需表达多时段的实体。 这三种空间实体分别用单个特定矩形框、两个交叠的特定矩形框、三个重叠的特定矩形框表示。 空间实体的关系及其表达 关系分类（Calkins）：一般关系（一般数据库都具有）；拓扑关系（相邻、联结、包含）；由空间操作导出的关系（邻近、交叠、空间位置的一致性）。表达：这三类关系分别用菱形、六边形、双线六边形表示。基本E-R方法和空间E-R方法比较 基本E-R方法 空间E-R方法 实体构成例子学生（姓名、性别、年龄、入学时间、住址） 宗地（产权人姓名、地址） 多边形（坐标、拓扑关系） 实体表达属性实体一般实体及其

6、属性地理实体一般实体及其属性 空间实体及其属性学生宗地Polygon G T坐标标识拓扑标识实体名称空间实体类型姓名、性别、产权人姓名、地址、E-R方法比较（续表）基本E-R方法 空间E-R方法 实体类型一种： 一般实体（无空间实体对应） 三种： 一般实体（与 空间实体对应） 多空间尺度/类型 表达的空间实体 多时段表达的空 间实体 关系类型一种： 三种： 一般关系（拥有、参加） 拓扑关系（连通、 相邻、包含等） 由空间操作导出的关系 （邻近、交叠、跨越、空间一致性） 空间E-R方法示例（据邵全琴等，1998） 1 渔船 point G TM 共管区 polygon G T包含于渔业公司渔政局

7、 渔船 point G T管理 管理 共管区 polygon G T 渔政船 point G T 包含于NNN11111NNNMMMMN 中心渔场 polygon G T 禁渔区 polygon G T 围网渔船 point G T 拖网渔船 point G T M 海底障碍物 point G T 交叠临近违规处罚O重叠注：1、M、N表示地理实体间的联系。如： 它的含义为一个共管区内可以包含M艘渔船，即1：M的关系。 返回数据库概念设计流程图 数据分析用户视图的设计用户视图的集成视图的分析和修改返回用户、征求意见数据流程图数据字典的形成单用户的概念结构(分E-R图)总体概念结构(初步E-R图)

8、概念结构,(基本E-R图)空间数据库的概念模型设计流程 确定系统所有的一般实体和地理实体确定各个实体的属性确定实体间的所有联系绘制表示一个单元的空间E-R图将空间E-R图转化为GIS软件和RDBMS可接受的数据模型将各个单元的空间E-R图组合起来，并优化四、空间数据库的逻辑设计 （一） 传统数据模型 （二） 面向对象数据模型 （三） 空间数据模型 返回传统数据模型的类型层次模型网络模型关系模型层次模型 它是以记录类型为结点的有向树或者森林。如果把层次模型中的记录按照先上后下、先左后右的次序排列就得到了一个记录序列，称为层次序列，层次序列码能指出层次路径。按照层次路径查找记录是层次模型的实现方法

9、之一。根结点二级结点1二级结点2三级结点1图中每个方框代表一个结点记录，附有该结点的属性值，结点间的连线反映了它们之间的从属关系 网络模型 它主要用于网络数据库的设计，是以记录类型为结点的网络结构。网络模型中通常用循环指针来联接网络中的结点。 根结点二级结点1二级结点2三级结点1三级结点2三级结点3图中每个方框是一个结点，代表一个实体，每个实体用一个记录表示，不同实体之间的联系用网络联接。 关系模型 描述：它将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，亦称为关系，一个实体由若干关系组成，而关系表的集合就构成了关系模型。 关系表示例 ：用地项目信息表和地块信息表用地项目编号 用地单位 地块编号

10、1地块1 2地块2 地块编号 面积 用地类型 地块1 地块2 三种模型的比较 返回层次模型 网络模型 关系模型 结构特征 父结点与子结点的关系必须是一对一或一对多 一个子结点可以有两个或多个父结点，两个结点之间可以有两种或多种联系 实体间的联系通过公共值隐含地表达，并用关系代数和关系运算来操作 优点 结构清晰，较容易实现 可以表示多对多的关系，冗余度较小 结构简单灵活，数据修改和更新方便，容易维护和理解 缺点 不能表示多对多的联系，难以顾及数据共享和实体间的拓扑关系，数据冗余度大 采用循环指针来联系结点，结构复杂，难以修改和维护，更新较为困难 难以处理复杂的目标，效率、数据语义和目标标识等方面

11、还有不足 面向对象数据模型的框架 传统数据库系统 . 持久性 . 共享 . 查询语言 . 并发控制 . 事务管理 面向对象编程 . 复杂对象 . 对象确认 . 类和方法 . 封装 . 继承语义数据模型 . 聚合 . 概括 . 派生 . 联合 确立对象数据模型面向对象数据模型的特点 支持复杂对象。具有对简单对象运用各种构造符组成复杂对象的能力具有对象标识。对象独立于它的值存在具有封装性。数据库对象中既封装数据又封装程序，从而达到信息隐蔽，同时也实现逻辑数据的独立性支持类型和类的概念，类型概括了具有相同特性的一组对象的共同特性支持类或类型的层次结构，具有继承关系允许重载，即将同一名字用于不同类型的

12、数据操作通过与现有程序设计语言的合理连接达到计算完备性具有扩充性面向对象数据模型的特征 封装性 ：在面向对象的系统中，所有的实体都可以模型化为对象。对象是由描述该目标状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成，即某种相关的数据和行为的组合，这种行为就是对象的封装性。 类：它是同类对象的集合，即具有相同属性和操作的目标的组合。类描述了该类对象的共同属性和共同的操作（方法），避免了对象的重复定义工作 。超类和继承：超类的概念是为了减轻类的重复定义问题，方便类的管理。继承的概念是为了在超类和子类之间，使子类能够获得超类的属性项和操作。 超类 定义：简单的说就是将几种类型中某些具有共同特征的属

13、性项和操作抽象出来，形成一种更一般的类，即超类。超类中所有的属性项和操作都赋予子类，同时，子类可以在超类的基础上添加其它的属性项和操作。举例： 超类SuperC（属性1、属性2、属性3、操作1、操 作2、操作3）； SuperC的子类Class1（属性4、操作4）。 其中，Class1的属性项包括从SuperC继承来的属性1、2、3和自己定义的属性4，操作包括从SuperC继承来的操作1、2、3和自己定义的操作4。 返回空间数据模型类型 混合数据模型 全关系型空间数据模型 对象-关系型空间数据模型 面向对象空间数据模型 返回混合数据模型 混合数据模型指在空间数据库建设中，采用将空间图形数据和相

14、关联的属性数据分离开来管理的模式，空间数据与属性数据通过关键字连接。该模型使用方便、实现起来较为简单，是目前使用较为广泛的一种空间数据模型。 混合型空间数据库模型示意图空间数据库属性数据管理图形数据管理分层设计分区设计关联设计关系表设计混合数据模型设计图形数据：由于GIS采用高级语言编程，可以通过打开/关闭直接操纵数据文件，图形用户界面和图形文件处理是一体的。 属性数据：通过关系数据库管理系统进行管理。以Arc/Info8.0以前版本为例，“INFO”是一个完整的简单关系数据库系统，它的属性表设计包括一般属性表(用户定义的属性表)与标准属性表(系统定义的属性表)。 图形数据和属性数据的交互方式

15、:通过属性数据库提供的高级编程语言接口，使得GIS在 高级编程语言环境下，直接操纵属性数据，并显示属性数据；通过接口调用SQL语句，查询属性数据库，并在GIS用户界面下，显示查询结果。属性数据库管理系统的调用在后台执行，图形数据和属性数据的查询与维护在同一界面下实现。一般属性表与标准属性表的关系设计方法一：物理上、逻辑上均相联，即用户定义的属性就添加在PAT或AAT上 。优势：简单、易操作，应用较广缺点： 属性只能依赖空间要素而存在，无法保留空间要素属性的历史记录； 易造成数据冗余； 易导致数据的更新异常； 对带有扩充属性表的Coverage进行操作时，需要更多的时间和空间资源。 方法二：物理

16、上分开、逻辑上相关联，即单独存储用户定义的属性，用关系或指针与PAT或AAT相联。 该方法不仅可以避免方法一的弊端，而且用户定义的属性还可以存放在第三方的关系数据库系统中，如Oracle，也利于数据的重用和共享。 空间要素一般属性表设计方法 方法一：把描述某一空间要素的所有属性放在一张属性表中。 该方法简单省事，但它是非规范化的，会带来数据冗余、更新异常等问题。故而，需要根据属性项之间的依赖关系进行分解，使之成为逻辑上有联系的，但物理上分离的多个属性表。 方法二：把描述某一空间要素的属性分别放在若干个逻辑上相互联系、符合第三范式的属性表中。 返回全关系型空间数据模型 描述：指空间数据和属性数据

17、都采用关系模型进行设计，建立全关系型空间数据库管理系统。思路：由GIS厂商在关系型数据库管理系统的基础上进行开发，使该系统不仅能管理结构化的属性数据，而且能管理非结构化的图形数据。图形数据管理方式方法一：将空间实体的空间特征用关系模型来表达，制作关系表。由于关系连接运算相当费时，该方法在空间对象处理显示方面效率很低。 由于空间特征由点、线、面组成，因此可以制作三种表单：多边形的关系表；线段的关系表；结点的关系表。方法二：将图形数据的变长部分处理成Binary二进制块Block字段，交由关系数据库管理系统进行存储和管理。该方法虽然省去了方法一的大量关系连接操作，但是二进制块的读写效率要比定长的属

18、性字段低的多，特别是牵涉对象的嵌套，速度更慢。 三种表单示例返回多边形编号名称 线段编号 属性项 Polygon1Line1、2、3、 Polygon2Line5、6、7、 线段编号 名称 结点编号 属性项 Line1 Node1、2、3、 Line2 Node3、4、5、 结点编号 X坐标 Y坐标 属性项 Node1 Line1、2、3、Node2 Line5、6、7、 多边形线段结点对象-关系型空间数据模型 描述：在关系型数据库中扩展，通过定义一系列操作空间对象（如点、线、面等）的API函数，来直接存储和管理非结构化的空间数据的空间数据库管理模式。实现途径：从关系数据库管理系统扩展，增加面向对象特性，主要是对基类进行扩充，增加复杂对象继承性和规则系统的支持等。特点：融合关系数据库技术与面向对象技术，支持查询语言SQL的超集，具备关系数据库系统的基本功能，同时又支持面向对象特性。适于复杂数据、复杂查询的应用， 其不足在于用户不能自定