第五章 空间数据库及其管理

1、第五章 空间数据库及其管理,内容简介, 5.1 概述, 5.2 空间数据库模型, 5.3 空间数据库设计, 5.4 空间数据库建立与维护,5.1 概述,5.1.1 数据库在GIS中的地位与作用,地理信息数据花费的时间要占整个管理系统建设所花时间的85%以上。,贮存于数据库中的空间数据和属性数据是GIS的基础。,地理信息数据库是数据库在资源环境管理方面的应用。,数据项组,逻辑数据单位之间的关系,物理单位: 位(比特)、字节、字、块(物理记录)、桶和卷 逻辑单位: 数据项、数据项组、记录、文件和数据库,5.1.2 数据的层次单位,数据项 数据项组 记录 文件 数据库,最基本的不可分割的数据单位,具

2、有独立的逻辑意义,逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的,数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的基本单位,给定类型逻辑记录的全部具体值的集合,文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在,空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： 数据量特别大。 不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间数据。 数据应用广泛。例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。,空间数据库：是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合。,5.1.3 数据库及其相关概念（续）,地理空间数据库的内容,以地形内容为代表的地理基础数据库 以统计数据为代表的专题数据库 以遥感图像数据为代

3、表的栅格数据库 以DTM、环境监测数据为代表的网格数据库,5.1.3 数据库及其相关概念（续）,数据库管理系统 是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统。,空间数据库管理系统 是指能够对存储的地理空间数据进行语义和逻辑的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。,空间数据库应用系统 是由空间信息系统的空间分析模型和应用模型所组成的软件。,GIS空间数据库系统组成和功能,空间数据模型有四种：层次模型、网络模型、关系模型和面向对象模型。,5.2 空间数据库模型,P100-106,根据使用的模型，可以把数据库分成：层次型数据库、网络型数据库、

4、关系型数据库和面向对象数据库。,5.2.1 层次模型 是按层次结构来组织数据的。因此，层次结构也叫树形结构，树中的每个结点代表一种实体类型。这些结点应满足： 有且仅有一个结点无双亲，这个结点称为根结点； 其它结点有且仅有一个双亲结点。,图4.2 层次型数据模型,层次数据库模型,优点： 存取方便且速度快 结构清晰，容易理解 数据修改和数据库扩展容易实现 检索关键属性十分方便 缺陷： 结构呆板，缺乏灵活性 同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边） 不适合于拓扑空间数据的组织,5.2.2 网络模型 在网状模型中，允许： 一个坐标结点可以有多个双亲结点，因为一个结点可能属于多条弧段，而一个双亲结

5、点有两个子女结点，即一条弧段总有两个结点； 一个图斑双亲结点有多个弧段子女结点，而一个弧段子女结点同时又属于两个图斑双亲结点。,网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 。,网状模型结构,网络数据库模型,优点： 能明确而方便地表示数据间的复杂关系 数据冗余小 缺陷： 网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。 需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大 数据的修改不方便（指针必须修改）,5.2.3 关系模型,关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间

6、关系的一种非常有效的数据组织方法。,点,关系数据库模型,优点： 结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求 能搜索、组合和比较不同类型的数据 增加和删除数据非常方便 缺陷： 数据库大时，查找满足特定关系的数据费时 对空间关系无法满足,问题：,空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定 在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷 一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 不能支持复杂的图形功能 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 难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的

7、安全维护,5.2.4 面向对象模型 对象是客观事物实体的部分或整体的数字表达。每个对象都有自己的特征和行为，对象的特征用数据来表示，称作对象的属性；对象的行为用对象中的代码来实现，称作对象的方法。,面向对象是指无论怎样复杂的事物都可以准确地由一个对象表示，这个对象是一个包含了数据集和操作集的实体。 除数据与操作的封装性以外，面向对象的数据模型还涉及到分类、概括、聚集和联合四个概念以及继承和传播两个语义模型工具。,面向对象的几何抽象类型,GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的

8、超类。,吉奥之星 中的空间对象模型,5.3 空间数据库设计,5.3.1 空间数据库设计的目标,最大限度的满足用户要求,数据库总体性能良好,对现实世界模拟尽量精确,能被某个DBMS系统接受,空间数据库设计过程及其文档,空间数据库设计过程:,5.3.2 空间数据库设计,(1)规划,进行建立空间数据库的必要性和可行性分析,确定空间数据库之间的关系,在空间数据库规划工作完成后,应编制详尽的可行性分析报告及空间数据库规划纲要。内容包括空间数据范围、空间数据来源、人力资源、设备资源、软件及支持工开发成本及进度安排等。,(2) 需求分析,需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，主要进行以下工作： 1、调查

9、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。 2、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。 3、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。,在需求分析阶段完成： 数据源的选择和对各种数据集的评价（空间、属性评价）。,（3）概念设计,将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型的过程就是概念设计。,概念设计是整个数据库设计的关键。而描述概念模型的有力工具是E-R模型。下面以建立城市地下管线信息系统为例介绍。,ER模型，即实

10、体联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。,ER模型,实体 即现实世界中存在的“人”或“物”。城市地下管线虽然种类较多，但其空间结构基本一致。一般都由管线点、管线段及其附属设施构成。,图的基本成分,联系 表示实体之间存在的关系。例如：管线点组成管线段。联系可分为一对一（：）、一对多（：）、多对多（：）等类型。,图的基本成分,用ER法表示实体的属性和联系,属性 表示实体或联系的某种特征。例如，管线点有点号、X坐标、 Y坐标和地面高等。,图的基本成份(续),用图描述概念模型,下面以城市地下管线管理信息系统为例，说明用方法来建立概念模型的具体步骤。,第一步：确定模型应含的实体。如前面所指出的，每

11、一实体可用来代表一类数据的集合。所以在本例中，实体应包括管线点、管线段、道路和附属物。,这一步的目标是在实体之间建立所需的联系。通常的作法是，根据对系统的功能分析首先选出一至数项有代表性的单项应用，建立起相应的局部模型。然后在此基础上逐渐扩充，所有实体之间均建立起应有的联系。,用图描述概念模型（续）,第二步：建立系统单项应用的局部模型,用图描述概念模型(续),第三步：将局部模型综合为系统的总体模型。,第四步：改进总体模型。通过综合得到的初始模型常常存在不完善的地方，需要进行改进。一个完善模型应该具有最小的数据冗余。所以这一步的主要目的就是减少冗余，尽可能避免数据的重复存贮。,地下管线的实体关系

12、模型,在关系型数据库中,每一数据库文件表示为一个关系。从E-R模型转换为关系模式,就是将E-R模型中的所有实体和联系都改用关系来表示。,E-R 模型向关系模式的转换,从ER模型向关系模型转换的主要过程为： A. 确定各实体的主关键字； B. 确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式（函数依赖关系），即某一数据项决定另外的数据项； C. 把经过消冗处理（规范化处理）的数据关系表达式中的实体作为相应的主关键字； D. 根据B、C形成新的关系。 E. 完成转换后，进行分析、评价和优化。,把每一实体转换为一个关系,首先分析实体的属性集，从中找出关系的主键(主键是关系数据库中可用于唯一地识别任何记录的

13、字段)，然后用关系式来表示实体。下面例中的实体，可分别转换为下列关系。主键将决定其它属性的值，或者说其它属性对主键存在依赖的关系。,E-R 模型向关系模式的转换(续),转换结果的改进,(4) 逻辑设计,地理信息具有数据量大、结构复杂等特点，为了便于管理和应用开发，经常在设计时将整个系统划分为一些子系统，与此相适应，数据库也被划分为若干子库。,逻辑设计的主要任务是将空间数据分析阶段所得到的地理数据重新进行分类、组织。,逻辑设计过程主要包括两个步骤：,图块结构设计（分块）。按数据的空间分布将数据划分为规则的或不规则的块（。如按行政单元进行划分存储）。,图层信息组织（分层）。按照数据的性质分类，将性

14、质相同或相近的归为一类，形成不同的图层。,地下管线数据库层次结构图,其目的在于确定数据库的存储结构。,主要内容,(5) 物理设计,确定记录存储格式,选择文件存储结构,决定存取路径,分配存储空间,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。 在完成物理设计后，要进行性能分析和测试。,(5) 物理设计（续）,第一步：确定所有字段的名称、类型与宽度 设计时请注意： （1）去掉在不同关系中重复出现的属性； （2）字段名既要便于识别，又要尽量简化。,(5) 物理设计（续）,第二步：确定数据库文

15、件的名称及其组成,(5) 物理设计（续）,第三步：确定索引文件与索引码。个别库不能建立固定的索引，必要时可按应用的需要临时建立，其余数据库文件应各建立一个索引文件与索引码。,第四步：按选定的语言建立上述的数据库文件及其索引文件。,城市地下管线管理系统包括的字段,道路中心线：道路编号、道路名称、路宽、道路长度、单行； 道路边线：道路编号、道路名称； 管线点：管点编号、x坐标、y坐标、管点特征、管点地面高程、埋设时间； 管线段：管段编号、管线种类、管径、材质、起点管顶高、起点地面高、终点管顶高、终点地面 高、埋设时间、管理单位、地区，流向； 附属设施：附属物编号、管段号、地面高程、埋深。,(6)

16、数据字典设计,数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标准规范，它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建立、维护和更新。,数据项（数据项名、含义、类型、长度、取值等） 数据结构（数据结构名、组成成分等） 数据流（数据流名、流入流出过程名、组成等） 数据存储（存储名、数据量、存取方式、操作方式） 加工过程（加工过程名、加工的简要说明）,数据字典的内容包括：,5.4 空间数据库的建立与维护,建立空间数据库结构 利用DBMS提供的数据描述语言描述逻辑设计和物理设计的结果，得到概念模式和外模式，编写功能软件，经编译、运行后形成目标模式，建立起实际的空间数据

17、库结构。,5.4.1 空间数据库的建立,数据装入 一般由编写的数据装入程序或DBMS提供的应用程序来完成。在装入数据之前要做许多准备工作，如对数据进行整理、分类、编码及格式转换。装入的数据要确保其准确性和一致性。,调试运行 装入数据后，要对地理数据库的实际应用程序进行运行，执行各功能模块的操作，对地理数据库系统的功能和性能进行全面测试.,5.4.2 空间数据库的维护,空间数据库的重组织 指在不改变空间数据库原来的逻辑结构和物理结构的前提下，改变数据的存储位置，将数据予以重新组织和存放。,空间数据库的重构造 指局部改变空间数据库的逻辑结构和物理结构。数据库重构通过改写其概念模式(逻辑模式)的内模式(存储模式)进行。,空间数据库的完整性、安全性控制 完整性是指数据的正确性、有效性和一致性，主要由后映象日志来完成，它是一个备份程序，当发生系统或介质故障时，利用它对数据库进行恢复。 安全性指对数据的保护，主要通过权限授予、审计跟踪，以及数据的卸出和装入来实现。,1. 解释字段、记录和数据库三