第九章空间数据库设计

第九章空间数据库设计第一页，共六十五页，2022年，8月28日9.空间数据库设计9.1空间数据库设计概述9.2需求分析9.3概念结构设计9.4逻辑结构设计9.5空间数据库物理设计9.6空间数据库的实施和维护9.7空间数据库建库第二页，共六十五页，2022年，8月28日9.1空间数据库设计概述9.1.1空间数据库设计原则9.1.2空间数据库设计过程第三页，共六十五页，2022年，8月28日9.1.1空间数据库设计原则1）空间数据库设计与应用系统设计相结合的原则2）数据独立性原则3）共享度高、冗余度低原则4）用户与系统的接口简单性原则5）系统可靠性、安全性与完整性原则6）系统具有重新组织、可修改与可扩充性原则第四页，共六十五页，2022年，8月28日9.1.2空间数据库设计过程第五页，共六十五页，2022年，8月28日9.2需求分析9.2.1需求分析的任务与方法9.2.2数据流图与数据字典第六页，共六十五页，2022年，8月28日9.2.1需求分析的任务与方法第七页，共六十五页，2022年，8月28日9.2.2数据流图与数据字典1．数据流图的基本成分第八页，共六十五页，2022年，8月28日2．数据流图分层第九页，共六十五页，2022年，8月28日3．数据字典1）数据项数据项的描述通常包括以下内容:数据项名，数据项含义说明，别名，数据类型，长度，取值范围，取值含义，与其他数据项的逻辑关系，数据项之间的联系“取值范围”，“与其他数据项的逻辑关系”。2）数据结构数据结构反映了数据之间的组合关系。一个数据结构可以由若干个数据项组成，也可以由若干个数据结构组成，或由若干个数据项和数据结构混合组成。对数据结构的描述通常包括以下内容：数据结构名，含义说明，组成：数据项或数据结构。第十页，共六十五页，2022年，8月28日3）数据流是数据结构在系统内传播的路径。对数据流的描述通常包括以下内容：数据流名，说明，数据流来源，数据流去向，组成：数据结构，平均流量，高峰期流量。4）数据存储数据存储是数据结构停留或保存的地方，也是数据流的来源和去向之一。它可以是手工文档或手工凭单，也可以是计算机文档。对数据存储的描述通常包括以下内容:数据存储名，说明，编号，输入的数据流，输出的数据流数据结构，数据量，存取频度，存取方式。5）处理过程处理过程的具体处理逻辑一般用判定表或判定树来描述。数据字典中只需要描述处理过程的说明性信息，通常包括以下内容：处理过程名，说明，输入：数据流，输出：数据流，处理：简要说明。第十一页，共六十五页，2022年，8月28日9.3概念结构设计9.3.1利用E-R模型设计9.3.2利用UML模型设计第十二页，共六十五页，2022年，8月28日9.3.1利用E-R模型设计ER模型是最为流行的建模工具之一。实体和属性实体是物理上或者概念上独立存在的事物或对象。实体由属性来刻画性质，属性可以是单值或多值的。联系一对一（1∶1）在一对一的联系中，一个实体中每个实例只能与其他参与实体的一个实例相联系。例如，实体MANAGER和FOREST之间的联系manages就是一个一对一的联系。第十三页，共六十五页，2022年，8月28日多对一（M∶1）多对一联系可将一个实体的多个实例与另一个参与该联系的实体的一个实例相连接。Belongs_to是实体FACILITY与FOREST之间的一个多对一联系，这里假定每个设施仅仅属于一个森林，但每个森林可以有多个设施。

多对多（M∶N）一个实体的多个实例会与另一个参与该联系的实体的多个实例相联系。实体RIVER和FACILITY之间的联系supplies_water_to正是这样的一个联系。

第十四页，共六十五页，2022年，8月28日ER图第十五页，共六十五页，2022年，8月28日用象形图扩展ER模型实体象形图（1）象形图

象形图是一种将对象插在方框内的微缩图表示，这些微缩图用来扩展ER图，并插到实体矩形框中的适当位置。

（2）形状

形状是象形图中的基本图形元素，它代表着空间数据模型中的元素。

一个模型元素可以是基本形状、复合形状、导出形状或备选形状。

（3）基本形状

<基本形状>●/〗基本形状的语法●点/线〗面基本形状的象形图第十六页，共六十五页，2022年，8月28日（4）复合形状为了处理那些不能用某个基本形状表示的对象，我们定义了一组聚合的形状，并用基数来量化这些复合形状。（5）导出形状

如果一个对象的形状是由其他对象的形状导出的，那么就用斜体形式来表示这个象形图。<基数>0.111,n基数的语法●0，n〗n使用了基数的多重形状的象形图0,nn〗<导出形状><基本形状>基本形状的语法●/导出形状的象形图第十七页，共六十五页，2022年，8月28日（6）备选形状备选形状可以用于表示某种条件下的同一个对象。例如，根据比例尺，一条河流可以表示成一个多边形或一条线。

<备选形状><基本形状><导出形状><基本形状><基本形状>备选形状的语法●〗●〗

备选形状的象形图

（7）任意形状对于形状的组合，我们用通配符（*）表示，它表示各种形状。例如，一个灌溉网是由泵站（点）、水渠（线）以及水库（多边形）所组成的。

第十八页，共六十五页，2022年，8月28日（8）用户自定义形状

除了点、线和多边形这些基本形状外，用户还可以定义自己的形状。例如，为了表达更多的信息，用户可能更愿意使用感叹号之类的象形图来表示灌溉网。

联系象形图联系象形图用来构建实体间联系的模型。例如，part-of用于构建道路与路网之间联系的模型，或是用于把森林划分成林分的建模。

Part_of（网络）Part_of（分区）联系的象形图

第十九页，共六十五页，2022年，8月28日带象形符号的ER图

第二十页，共六十五页，2022年，8月28日利用ER模型设计的步骤第二十一页，共六十五页，2022年，8月28日9.3.2利用UML模型设计UML模型是另一个流行的概念建模工具。是用于面向对象软件设计的概念层建模的新兴标准之一。它是一种综合型语言，用于在概念层对结构化模式和动态行为进行建模。UML是一种通用的可视化建模语言，用于对软件进行描述、可视化处理理解、构造和建立软件制品的文档。第二十二页，共六十五页，2022年，8月28日作为一种建模语言，UML的定义包括UML语义和UML表示法两个部分：（1）UML语义，描述基于UML的精确元模型定义。元模型为UML的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者能在语义上取得一致，消除了因人而异的最佳表达方法所造成的影响。（2）UML表示法，定义UML符号的表示法，为开发者或开发工具使用这些图形符号和文本语法为系统建模提供了标准。这些图形符号和文字所表达的是应用级的模型，在语义上它是UML元模型的实例。UML包含五类图，用例图、静态图、对象图、行为图、交互图和实现图。这里我们采用静态图当中的类图。第二十三页，共六十五页，2022年，8月28日表9-1UML类图表示法第二十四页，共六十五页，2022年，8月28日9.4逻辑结构设计9.4.1关系数据模型9.4.2E-R模型向关系模型转换9.4.3面向实体的逻辑模型设计第二十五页，共六十五页，2022年，8月28日9.4.1关系数据模型关系模型的基本思想是用二维表形式表示实体及其联系（见示例）。二维表中的每一列对应实体的一个属性，其中给出相应的属性值；每一行形成一个，由多种属性组成的多元组，或称元组，与一特定实体相对应。实体间联系和各二维表间联系采用关系描述或通过关系直接运算建立。第二十六页，共六十五页，2022年，8月28日关系模型中应遵循以下条件：（1）二维表中同一列的属性是相同的；（2）赋予表中各列不同名字（属性名）；（3）二维表中各列的次序是无关紧要的；（4）没有相同内容的元组，即无重复元组；（5）元组在二维表中的次序是无关紧要的。关系模型的优点：（1）结构灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数字运算规则形成的询问要求；（2）能搜索、组合和比较不同类型的数据；（3）加入和删除数据方便；（4）适宜地理属性数据的模型。关系模型的缺点：许多操作都要求在文件中顺序查找满足特定关系的数据，若数据库很大的话，这一查找过程要花很多时间。第二十七页，共六十五页，2022年，8月28日以地图M为例：地图M中有两个面实体ⅠⅡ

Ⅰ多边形由a,b,e组成MⅡ多边形由b,c,d组成1a

a边的两个端点是1，2e

Ⅰ2b边的两个端点是2，44b

cc边的两个端点是2，3d

Ⅱd边的两个端点是3，43e边的两个端点是1，4第二十八页，共六十五页，2022年，8月28日关系模型例第二十九页，共六十五页，2022年，8月28日9.4.2E-R模型向关系模型转换将E-R图转换为关系模型实际上就是要将实体、实体的属性和实体之间的联系转化为关系模式，这种转换一般遵循如下原则：（1）一个实体型转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。（2）一个M:N联系转换为一个关系模式。与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性。而关系的码为各实体码的组合。（3）一个1:N联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端对应的关系模式合并。如果转换为一个独立的关系模式，则与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系的码为n端实体的码。第三十页，共六十五页，2022年，8月28日（4）一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。（5）三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。与该多元联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性。而关系的码为各实体码的组合。（6）同一实体集的实体间的联系，即自联系，也可按上述1:1、1:N和M:N三种情况分别处理。（7）具有相同码的关系模式可合并。第三十一页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）转换原则⒈一个实体型转换为一个关系模式。关系的属性：实体型的属性关系的码：实体型的码例，学生实体可以转换为如下关系模式：学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，平均成绩）性别、宿舍、班级、档案材料、教师、课程、教室、教科书都分别转换为一个关系模式。第三十二页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒉一个m:n联系转换为一个关系模式。关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性关系的码：各实体码的组合 例，“选修”联系是一个m:n联系，可以将它转换为如下关系模式，其中学号与课程号为关系的组合码：

选修（学号，课程号，成绩）第三十三页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒊一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端对应的关系模式合并。1)转换为一个独立的关系模式关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性关系的码：n端实体的码第三十四页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒊一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端对应的关系模式合并。2)与n端对应的关系模式合并合并后关系的属性：在n端关系中加入1端关系的码和联系本身的属性合并后关系的码：不变可以减少系统中的关系个数，一般情况下更倾向于采用这种方法第三十五页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）例，“组成”联系为1:n联系。 将其转换为关系模式的两种方法：

1)使其成为一个独立的关系模式：组成（学号，班级号）2)将其学生关系模式合并： 学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，班级号，平均成绩）第三十六页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒋一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。1)转换为一个独立的关系模式关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性关系的候选码：每个实体的码均是该关系的候选码第三十七页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒋一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。2)与某一端对应的关系模式合并合并后关系的属性：加入对应关系的码和联系本身的属性合并后关系的码：不变第三十八页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）例，“管理”联系为1:1联系，可以有三种转换方法：（1）转换为一个独立的关系模式：

管理（职工号，班级号）或 管理（职工号，班级号）（2）“管理”联系与班级关系模式合并，则只需在班级关系中加入教师关系的码，即职工号：

班级：（班级号，学生人数，职工号）（3）“管理”联系与教师关系模式合并，则只需在教师关系中加入班级关系的码，即班级号：

教师：（职工号，姓名，性别，职称，班级号，是否为优秀班主任）第三十九页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）注意：从理论上讲，1:1联系可以与任意一端对应的关系模式合并。但在一些情况下，与不同的关系模式合并效率会大不一样。因此究竟应该与哪端的关系模式合并需要依应用的具体情况而定。由于连接操作是最费时的操作，所以一般应以尽量减少连接操作为目标。例如，如果经常要查询某个班级的班主任姓名，则将管理联系与教师关系合并更好些。第四十页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒌三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。关系的属性：与该多元联系相连的各实体的码以及联系本身的属性关系的码：各实体码的组合 例，“讲授”联系是一个三元联系，可以将它转换为如下关系模式，其中课程号、职工号和书号为关系的组合码：

讲授（课程号，职工号，书号）第四十一页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒍同一实体集的实体间的联系，即自联系，也可按上述1:1、1:n和m:n三种情况分别处理。 例，如果教师实体集内部存在领导与被领导的1:n自联系，我们可以将该联系与教师实体合并，这时主码职工号将多次出现，但作用不同，可用不同的属性名加以区分：教师：｛职工号，姓名，性别，职称，系主任｝第四十二页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）⒎具有相同码的关系模式可合并。目的：减少系统中的关系个数。合并方法：将其中一个关系模式的全部属性加入到另一个关系模式中，然后去掉其中的同义属性（可能同名也可能不同名），并适当调整属性的次序。第四十三页，共六十五页，2022年，8月28日E-R图向关系模型的转换（续）例，“拥有”关系模式：拥有（学号，性别）与学生关系模式：学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，班级号，平均成绩）都以学号为码，可以将它们合并为一个关系模式：学生（学号，姓名，性别，出生日期，所在系，年级，班级号，平均成绩）第四十四页，共六十五页，2022年，8月28日应用例：在著书工作中，一位作者可以编写多本图书，一本书可以由多位作者编写。

设作者的属性有：作者号，姓名，单位，电话；书的属性有：书号，书名，出版社，

日期。试完成如下问题：（1）设计该系统的E-R图；（2）将该E-R图转换为关系模型结构；（3）指出转换结果中每一个关系模式的候选码。第四十五页，共六十五页，2022年，8月28日（1）E-R图（2）将该E-R图转换为关系模型结构如下：作者（作者号，姓名，单位，电话）图书（书号，书名，出版社，日期）编写（作者号，书号）（3）以上关系模式中带下划线的为该关系模式的候选码作者号姓名单位电话出版社书号书名日期作者图书编写mn第四十六页，共六十五页，2022年，8月28日9.4.3面向实体的逻辑模型设计地理实体在模型中表示为要素。要素是由几何实体和属性组成的。它包括简单类型，例如，一个界址点、一个行政界线、一块土地；它们的几何形态分别为简单点，简单线和简单区。还有一些复杂类型的实体，例如，一个河流的流域。它的几何特性对应的是多种形态的几何实体，所以它的几何特性是一个复合类型。换句话说，通过原子几何实体（点、线、区）的任意组合可表达和描述任意几何复杂度的实体。什么是几何实体？它是地理对象的外观特征或可视化形状。地理实体可以用三种几何实体表示在地图上：点、线、多边形。继续细分下去，几何形态包括单点、多点、单弧段、多弧段、多边形等。第四十七页，共六十五页，2022年，8月28日1．要素类的建模与表达第四十八页，共六十五页，2022年，8月28日2．注记类的建模与表达第四十九页，共六十五页，2022年，8月28日3．关系类的建模与表达第五十页，共六十五页，2022年，8月28日4．规则的建模与表达第五十一页，共六十五页，2022年，8月28日9.5空间数据库物理设计9.5.1空间数据库存储策略9.5.2空间数据库关系模式设计第五十二页，共六十五页，2022年，8月28日9.5.1空间数据库存储策略对象-关系数据库管理，基于商业数据库进行存储，其存储策略如下：数据存储层对象管理层并发控制管理器安全管理器地理数据库管理器接口数据库对象类、要素类、关系类、注记类等地理数据库层数据管理层SDE接口SDE客户端SDE服务器CSSQLSQL第五十三页，共六十五页，2022年，8月28日9.5.2空间数据库关系模式设计空间数据库主要包含空间数据和元数据信息两个部分。空间数据以“地理数据库—要素数据集—类”的层次进行组织。例如，类层次的对象有要素类、注记类、对象类、关系类和规则等，每一种对象在空间数据库当中需要用一个表集来描述其信息和内部关系。元数据信息则描述前面所有空间数据的元数据信息，使用数据字典进行表达。第五十四页，共六十五页，2022年，8月28日1．地理数据库数据字典表关系2．要素类的关系模式表9-3要素类信息关系表说明表9-4几何实体信息关系表说明表9-5点信息关系表说明表9-6弧段信息关系表说明表9-7弧段拓扑信息关系表说明表9-8点图形参数关系表说明表9-9线图形参数关系表说明表9-10区图形参数关系表说明第五十五页，共六十五页，2022年，8月28日3．注记类的关系模式表9-11注记信息关系表说明4．关系类的关系模式表9-12关系类信息关系表说明5．规则的关系模式表9-13有效规则关系表说明表9-14属性规则关系表说明表9-15关系规则关系表说明表9-16拓扑规则关系表说明表9-17空间规则关系表说明第五十六页，共六十五页，2022年，8月28日9.6空间数据库的实施和维护9.6.1空间数据库系统实施9.6.2空间数据库系统维护第五十七页，共六十五页，2022年，8月28日9.6.1空间数据库系统实施

空间数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计修改以后，便可以开始正式的进行数据库实施了。实施的过程，应当以实施计划为指南，尽量按照计划进行实施。但是再好的计划也是不可能完全准确的，在实施过程中常常需要对实施计划做或多或少的改动。任何方面的改动都应当以书面形式备案，做到有案可查（吴信才等，2002）。空间数据库的实施一般过程如下：（1）数据录入：数据录入的数据源应包括系统设计的各类源数据，以检测各输出软件的可行性和数据转换格式的正确性。第五十八页，共六十五页，2022年，8月28日（2）数据编辑：对录入的数据在进入数据库以前的编辑和预处理要尽可能测试各种编辑功能和操作，检测其安全性和可操作性。（3）数据库建立：应保证所选择的试验小区的数据足以建立一个完整的