空间数据管理精品课件

1、空间数据管理第1页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五数据组织和管理的层次数据项：可以定义数据的最小单位，也称字段。 数据项与现实世界实体的属性相对应，表达事物的某项属性，可以用数值、字母、字符等形式，并有一定的取值范围。记录：由若干相关联的数据项组成。 纪录与现实世界的实体相对应，是关于一个实体的数据总和。为了检索数据库中的纪录，每个记录必须有唯一的标识符。文件：一给定类型的记录的全体的集合。数据库：具有特定联系的多种类型的记录文件的集合。第一节、数据库概述第2页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五一、数据管理的文件方式通过文件系统管理数据，应用程序本

2、身不涉及数据的管理数据可以长期保存数据冗余度大、共享性差程序与数据有依赖性 文件结构改变时程序必须相应修改。文件系统应用程序1应用程序2应用程序3数据文件1数据文件3数据文件2 文件管理方式是将数据组织保存在数据文件中，由操作系统中的文件管理系统进行数据管理。按文件名访问，按纪录进行存取。（windows文件管理系统）第3页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五二、数据管理的数据库方式由数据库管理系统对数据进行组织、操作和维护数据库管理系统应用程序1应用程序2应用程序3数据1数据3数据2数据库文件系统应用程序1应用程序2应用程序3数据文件1数据文件3数据文件2第4页，共46页

3、，2022年，5月20日，12点31分，星期五数据库的主要特征数据共享性：保证不同用户和应用可以共享数据数据冗余度小：可以减少数据的重复存储数据独立性：数据与应用程序相互独立 数据的物理储存方式和逻辑结构改变独立于应用程序复杂的数据模型：可以用层次模型、网络模型和关系模型表示现实世界中的数据组织及其数据间的联系；数据保护特征：安全性控制、完整性控制、并发控制、故障的发现和恢复第5页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五三、数据库系统的构成数据库是数据库系统的简称数据库： 空间数据和属性数据数据库管理系统: Oracle MS SQL 数据库应用系统 : 开发的具有数据库访问、

4、数据处理查询功操作功能的用户界面。 用户 应用系统用户DBMS数据库管理员数据库用户用户应用系统第6页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五数据库系统图书馆数据库系统图书数据按类存放的一组图书文件图书编目的方法数据模型书架的设计和安置数据的物理组织书库数据占用的储存空间图书馆管理机构数据库管理系统图书查询数据检索图书借阅数据存取读者数据库用户第7页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五第二节： 数据模型什么是数据模型？ 数据模型是对数据库如何分类组织数据的一种模型化表示。包括三个要素：数据结构和联系的描述 反映客观实体的内容和相互联系数据操作的定义 数据的检

5、索、修改、插入、删除数据完整性约束 制定保证数据完整性的规则第8页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五第二节：数据模型数据模型概念中的术语实体 (Entity)：实体是指现实世界中客观存在的并可相互区别的事物。属性 (Attribute)：实体所具有的某一特性域 (Domain)：属性的取值范围关键字(Key)：唯一标识实体的属性集联系：实体之间的关系 (1:1 、1:n、 m:n)。第9页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五一、层次数据模型层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。它的特点是把地理数据组织成有

6、向有序的树结构，也叫树形结构。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关系(一对多的关系)。 层次模型 实体E及其空间要素第10页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五层次模型的优缺点优点：反映了现实世界中实体的层次关系是空间对象的自然表达形式，易于理解缺点：对低层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询更新、插入和删除操作比较复杂，数据独立性较差模拟多对多联系时导致物理存储上的冗余第11页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五二、网状数据模型网状模型将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。这种数据模型

7、的基本特征是，结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发生联系，可表示多对多的关系。 网状模型 实体E及其空间要素第12页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五网络模型的优缺点优点：比层次结构具有更大的灵活性和更强的数据建模能力可以描述多对多的关系，其数据存储效率大于层次模型具有一定的数据独立性和共享特性，运行效率较高缺点：结构复杂，增加了用户查询和定位的困难网状数据操作命令具有过程式性质不支持对于层次结构的表达第13页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五地理实体-多边形关系多边形-多

8、边形关系边-结点关系EII三、关系数据模型abeecdaV1V2bV2V3eV3V1dV1V4cV4V3第14页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五关系模型的优缺点优点：能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相互间关系，使用与维护方便。数据的操纵具有高度的灵活性数据间的关系具有对称性缺点：实现效率不够高描述对象语义的能力较弱不直接支持层次结构模型的可扩充性较差模拟和操纵复杂对象的能力较差第15页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五四、面向对象模型面向对象的基本思想是通过对问题领域进行自然的抽象分割，用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型（

9、对象），并进行结构模拟和行为模拟。 （乐龙软件）基本出发点就是以对象作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。第16页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五 对象、类、方法、消息 含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和 行为的统一体。如一个城市、一棵树均可作为地理对象。对于一个对象，应具有如下特征：具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态；具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。类：是对多个相似对象共同特性的描述。 对象：XX 居民小区标识：属性：小区名称、位置、面积、建筑面积、

10、居住户数 操作：户籍查询、人口统计、房屋出租、产权更替第17页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五面向对象数据模型的特征 抽象性 对现实世界的简明表达，将现实世界的现象抽象为“对象”空间地物点状地物线状地物面状地物复杂地物电视塔桥 梁车 站道 路水 管电力线建筑物湖公 园矿 山大 学县第18页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五面向对象数据模型的特征 封装性：把对象的数据和操作数据的方法结合起来，统一封装在对象之中，对象的数据只能由对象的方法来操作。 封装性使用户不必了解功能的实现过程，而只需了解对象有哪些功能；第19页，共46页，2022年，5月20日

11、，12点31分，星期五面向对象数据模型的特征 多态性 是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。因此，可以发送更一般的消息，把实现的细节都留给接收消息的对象。即相同的操作可作用于多种类型的对象，并能获得不同的结果。 第20页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五大学点状地物管线建筑物复杂地物路灯下水井 乘车点 水 管电力线办公楼学生宿舍 教学楼新校区 老校区面向对象的地理数据模型 用抽象的点、线、面及其复杂的组合来表达对象通信线第21页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五面向对象的属性数据模型 GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。如

12、一个大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、学生宿舍等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。 第22页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五 空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合 空间数据库的数据特征 空间特征和空间关系特征 非结构化特征 属性数据和空间数据联合管理特征 海量数据特征第三节：空间数据库第23页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五一、 空间数

13、据库设计的步骤需求描述和分析概念设计逻辑设计物理设计实现运行维护第24页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五一、需求分析调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。需求分析的整理一般采用数据流分析法，分析结果以数据流图DFD表示出来。 第25页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五房产图形数据基础地形数

14、据业务管理数据系统控制数据历史数据数据格式标准生产流程规范数据格式标准业务流程规范业务表格规范业务、流程、报表、模型等规范数据格式标准内业处理数据编辑数据转换审批结果入库审批结果入库系 统 数 据 库标准制定数据采集与处理采购数据规整外业勘测扫描/手工录入数据整理与入库中间格式数据数据转换数据转换中间格式数据中间格式数据第26页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五二、概念模型设计概念模型不依赖于计算机系统和具体的DBMS，它是系统用户与GIS系统分析人员之间交流的语言。表示概念模型最有力的工具是ER模型，即实体联系模型。ER模型包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现

15、实空间世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，具有直观、自然、语义较丰富等特点。市区要素空间实体空间实体属性空间实体关系边线走向街道路面质量所属路段所属街道组成长度等m1模型E_R第27页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五三、逻辑模型设计 逻辑模型的设计是将概念模型结构转换为具体DBMS可处理的空间数据库的逻辑结构，包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。逻辑模型设计由GIS数据库分析人员和设计人员完成。 将E-R概念模型转换为初始的关系模型；规范化处理: 3NF模型评价: 是否满足用户的要求、功能和性能评价；优化模

16、型：增加关系或属性、合并关系、分解关系；编写数据库的逻辑设计说明书 第28页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五四、物理模型设计 主要内容包括1）确定记录存储格式；2）选择文件存储结构：顺序存储、散列存储、索引存储；3）决定存取路径，访问方法；4）完整性和安全性。 物理设计的好坏将对空间数据库的性能影响很大，一个好的物理存储结构必须满足两个条件： 一是地理数据占有较小的存储空间； 二是对数据库的操作具有尽可能高的处理速度。 是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出空间数据库的存储模式。由计算机硬软件专家和程序员完成。第

17、29页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五数据库设计实例建立一个具有自动记录功能的环境监测网。在监测网中各个监测点的各种感测系统所测得的数据由一个中心计算机系统来储存和管理。因此需要构建一个空间数据库系统，用于管理监测站本身的信息以及测得的大气的数据资料。第30页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五一、需求分析需求：建立若干个观测站，每个站有数个不同的感测器；每个观测站的地理位置用地理坐标系表示；不同的感测器应该有厂家、型号等信息；记录气象观测站测量多种参数：温度、湿度、降水量等；提供测量站工作人员的信息；.第31页，共46页，2022年，5月20日，1

18、2点31分，星期五二、建立概念模型（E-R模型)分析有哪些实体、关系、属性：实体类型：观测站、感测器、制造商、测量值实体：杭州观测站属性：高程、大气温度、降水量属性值：海拔73米、4.2度、12.3mm关系：观测站有观测器、感测器是由某个制造商生产的关系类型：1:1 一个观测站只可能有一个地理位置1:n 一个观测站可以至少有一个感测器，而一个感测器不能同时属于两个观测站n:m 一个观测站可以测量一个以上的大气参数； 第32页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五E-R模型图的图例含义第33页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五第一步：确定实体第34页，共4

19、6页，2022年，5月20日，12点31分，星期五第二步：确定实体间联系第35页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五第三步：确定属性Ser.#第36页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五三、将(E-R)概念模型转换为关系数据模型转换规则：一个实体类型转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的关键字就是关系的关键字；一个联系类型转换为一个关系模式，参与该联系的各实体的关键字和联系的属性转换为关系的属性；第37页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五气象站-位置关系表WStat Position_E_N Elevation W48

20、149_05 (3403980;5758140) 67.5 W48249_01 . . . . . . WStat Longitude Latitude Elevation W48149_05 3403980 5758140 67.5 W48249_01 . . . . .满足第一范式 1NFSer.#第一范式1NF每个属性必须是原子的、不可分割的数据项；不允许出现完全相同的两个纪录。第38页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五测量参数-测量值-气象站关系表PName WStat Date Value Unit of Measure Precipitation W48149

21、_05 95_12_24 6,9 mm Rel_Humidity . . . . . . . . . . PName WStat Date Value Precipitation W48149_05 95_12_24 6.9 Rel_Humidity . . . . . . . .PName Unit of Measure Precipitation mm Rel_Humidity . . . 满足第二范式 2NF第二范式2NF关系满足第1范式（ 1NF）。 每个非主属性必须完全函数依赖于整个主关键字。 （部分依赖就要分离出来）主关键字第39页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，

22、星期五感测器-制造商关系表Sensor# SType Condition MName MAddress MTelephone T0104 PT100 good Electronics Mnster 02518330 N0234 . . . . . . . . . . . .Sensor# SType Condition MName T0104 PT100 good Electronics N0234 . . . . . . . . .MName MAddress MTelephone Electronics Mnster 02518330 Lambrecht . . . . . .第三范式3N

23、F关系满足第2范式（ 2NF）。 各个非主属性之间没有函数传递依赖关系。主关键字第40页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五气象站-工作人员关系表Responsible Party1 WStat RName From To W48149_05 Mller 75_01_01 94_12_31 W48149_05 Meier 95_01_01 . . .Responsible Party2 RName RAddress RTelephone Mller Mnster 02519876 Meier . . . . . . 第41页，共46页，2022年，5月20日，12点31分，星期五第四节：空间数据库的组织方式空间数据管理的技术基于通用数据库的理论和技术空间数据管理的特殊性在于空间位置数据和属性数据的集成管理空