GIS数据库设计.ppt

空间数据库设计 1 第八章应用型GIS数据库详细设计 8 1GIS数据库设计的概念 8 2应用型GIS数据库设计目标 8 3应用型GIS数据库设计 8 4空间数据与非空间数据连接 2 空间数据库概念 空间数据库指的是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和 一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的 3 8 1GIS数据库设计的概念 数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程 具体地讲 就是对于一个给定的应用环境 提供一个确定最优数据模型与处理模式的逻辑设计 以及一个确定数据库存贮结构与存取方法的物理设计 建立能反映现实世界信息和信息联系 满足用户要求 以能被某个数据库管理系统 DBMS 所接受 同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库 数据库设计是一个复杂 繁琐的过程 它通常要求包括 制定整个数据库的使用目的和目标 分析和评价各种设计方案和雏形试验 GIS数据库的设计又要有更多的考虑 因为地理数据有矢量和栅格之分 各种数据又同时具有空间和属性的特征 有的还有时间上的信息特征 各种特征的信息可能要用不同的结构来表达 各类数据的开发可能是使用不同的GIS软件来完成的 这样数据的格式也各不相同 一个数据库可能要求容纳各种各样的数据类型和格式 如何有机地将这些考虑结合起来 也是一个GIS数据库设计成功与否的关键因素之一 GIS数据库的设计应该既考虑数据的特征 又兼顾应用目的 仅依据数据特征来进行GIS数据库设计的方法会忽略了用户将如何使用这些数据的部分 所以这样设计出的数据库常常无人问津 按照应用目的设计的数据库是根据用户的使用目的来对数据库进行设计 假若对数据的考虑加强一些 便可以使设计出的数据库既充分利用了技术上的优势 又兼顾了用户的应用目的 4 8 2应用型GIS数据库设计目标 l 满足用户要求 2 良好的数据库性能 3 对现实世界模拟的精确程度 4 能被某个数据库管理系统接受 5 8 3应用型GIS数据库设计 一 概念化设计二 数据库逻辑设计三 数据库物理设计 6 一 概念化设计 1 概念结构设计的方法与步骤2 实体 关系模型3 数据库地理实体类型确定4 地理实体属性范围8 实体间的基本关系 7 1 概念结构设计的方法与步骤 设计概念结构通常有四类方法 自顶向下 即首先定义全局概念结构的框架 然后逐步细化 自底向上 即首先定义各局部应用的概念结构 然后将它们集成起来 得到全局概念结构 逐步扩张 首先定义最重要的核心概念结构 然后向外扩充 以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构 直至总体概念结构 混合策略 即将自顶向下和自底向上相结合 用自顶向下策略设计一个全局概念结构的框架 以它为骨架集成由自底向上策略中设计的各局部概念结构 其中最经常采用的策略是自底向上方法 即自顶向下地进行需求分析 然后再自底向上地设计概念结构 但无论采用哪种设计方法 一般都以E R模型为工具来描述概念结构 一 概念化设计 8 2 实体 关系模型 实体 关系模型 即E R模型 其英文为 Entity RelationModel 是用实体关系来表示数据的模型 它的一个主要用途便是可以清楚地表达实体间的关系 尤其在实体很多 关系很复杂的情况下 E R模型会帮你清楚地理出其中的关系来 一 概念化设计 9 3 数据库地理实体类型确定 地理信息的分类是对地理实体的一种抽象和概括 它决定了数据的质量层次的划分 在确定地理信息的分类时 其分类体系的设计应能包含所有所需的数据和资料信息 建立统一的地理要素分类体系 确保地理信息多用户 多领域共享 在应用型地理信息系统设计与建立中 常将地理信息区分为地理基础信息和专题信息 一 概念化设计 10 一 概念化设计 实际上实体与属性是相对而言的 很难有截然划分的界限 同一事物 在一种应用环境中作为 属往 在另一种应用环境中就必须作为 实体 属性不能再具有需要描述的性质 即属性必须是不可分的数据项 不能再由另一些属性组成 属性不能与其他实体具有联系 联系只发生在实体之间 实体的属性范畴也称为实体的属性域 确定实体的属性域的目的在于规定每个实体应包含哪几类属性信息 一般地 地学实体可包括几何类型信息 分类分级信息 如下几类属性信息 4 地理实体属性范围 11 地学实体 几何类型信息 分类分级信息 质量描述信息 图形信息 数量特征信息 名称信息 12 a 几何类型信息 点状物体 线状物体 面状物体 复杂物体 三维物体等等 图形b 分类分级信息 说明物体的类型归属 用特征码或地理标识码表示 c 图形信息 描述物体的位置和形状的信息 d 数量特征信息 描述物体的大小或其它可以度量的性能指标 如长度 宽度 高度 深度 密度等等 e 质量描述信息 说明物体的质量构成 如某一类岩石的化学成份等 13 几何类型信息 点状物体线状物体面状物体复杂物体三维物体 14 分类分级信息 说明物体的类型归属 用特征码或地理标识码表示 地理基础信息 居民地 道路 地形 水系 15 图形信息 描述物体的位置和形状的信息水塔坐标水塔的形状 16 数量特征信息 描述物体的大小或其它可以度量的性能指标 如长度 宽度 高度 深度 密度等等 17 质量描述信息 说明物体的质量构成 如某一类岩石的化学成份等 18 名称信息 物体或地质体的专有名称 此类信息对某些实体具有标识作用 19 8 实体间的基本关系 在地理实体之间存在着各种各样的关系 而GIS中只能直接建立一些最基本的关系 其它关系可以在基本关系的基础上导出 一般地 地理实体具有下述三种类型的基本关系 a 定性 分层或分类 关系 每个地理实体必须至少属于分类系统中的某一类 即系统要将全部实体在数据输入过程中自动地进行分类组织 形成分类数据集合确保用户按类别直接提取所需要的信息子集 b 定位关系 在GIS中对于地理信息的处理和编辑的一个特殊而重要的操作是按指定范围 常为矩形范围 来处理有关地理实体的信息 这是空间数据处理的一个特点 此类定位关系的建立为复杂的空间操作 如拓扑关系处理 奠定了基础 c 拓扑关系 拓扑关系是指网结构元素 结点 弧段 面域 间的邻接 包含 关联等关系 有的GIS是将它作为基本关系直接建立 有的则是以定位关系为基础 间接导出实体间的拓扑关系 拓扑关系是空间数据结构化的重要体现 一 概念化设计 20 二 数据库逻辑设计 1 空间数据逻辑设计1 空间数据逻辑划分 1 图块结构设计 2 图层信息组织2 空间数据逻辑数据结构2 属性数据逻辑设计1 属性表与属性关系的设计2 E R图向关系数据模型的转换 21 1 空间数据逻辑划分 在逻辑设计过程中 分两步进行 一是图块结构的设计 即按数据的空间分布将数据划分为规则的或不规则的块 二是图层信息的组织 即按照数据的性质分类 将性质相同或相近的归为一类 形成不同的图层 图块结构和图层结构是空间数据库从纵 横两个方间的延伸 同时空间数据库是两者的逻辑再集成 1 空间数据逻辑设计 22 1 空间数据逻辑划分 1 图块结构设计为了在计算机中对大容量的空间数据进行有效的组织 需要将所研究的地理区域分割成两块或多块独立的块 然后对这些图块建立空间索引 图块的结构构成空间数据库的基本组成部分 图块划分尺寸根据实际需要而定 必须遵循一定的原则 1 空间数据逻辑设计 23 遵循原则 其一 按存取频率较高的空间分布单元划分图块 以提高数据库的存取效率 其二 图块的划分应使基本存储单元具有较为合理的数据量 数据量过大 会造成查询分析效率低下 数据量过小 不便于数据管理 其三 在定义图块分区时 应充分考虑未来地图数据更新的图形属性信息源及空间分布 以利于更新和维护 24 1 空间数据逻辑设计 2 图层信息组织假设Li i 1 2 n 为任一数据层 则一幅完整的地图 L L1 L2 Ln 数据层L是研究区域的所有信息总和 数据分层可以按 专题 时间 垂直高度等方式来划分 地籍图分层情况动画 箭头方向错误 请改变 先显示右下角的图 然后按箭头方向逐层显示 1 空间数据逻辑划分 25 数据分层时就考虑的问题 1 数据具有同样的特性 也可以说是数据有相同的属性信息 2 按要素类型分层 性质相同或相近的要素应放在同一层 3 即使是同一类型的数据 有时其属性特征也不相同 所以也应该分层存储 4 比例尺的一致性 8 同一层数据会有同样的使用目的和方式 6 不同部门的数据通常应该放入不同的层 这样便于维护 7 数据库中需要不同级别安全处理的数据也应该单独存储 8 分层时应顾及数据量的大小 各层数据的数据量最好比较均衡 9 尽量减少冗余数据 26 1 空间数据逻辑设计 地理信息系统中逻辑空间结构主要有两大类 即栅格结构和矢量结构 栅格结构以规则的阵列表示地理空间现象的分布 地理实体的空间位置隐含其中 每个象元的相对行列位置表示其在地理坐标系中的相对值 而数值则表示该空间位置的地理属性 易于存贮 操作和表示 矢量结构通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点 线 面 多边形 等地理实体 空间坐标设为连续的 允许任意位置 长度和面积的精确定义 其精度仅受数字化设备的精度和数值记录长度的限制 因此其精度高而数据冗余小 2 空间数据逻辑数据结构 27 1 属性表与属性关系的设计 属性是空间实体的特征反映 空间实体的属性特征有质量特征 数量特征和关系特征等等 一般地说 属性数据是非空间型的 有的属性数据是与实体的空间特征有关 如面积 周长等 属性值是指存储在数据库中属性的真值 它赋给属性的特定的数量或质量指标 关系数据库中 数据库的文件单元是属性表 属性表是属性值的二维表格表示形式 一般地属性表中的行表示实体目标 列表示属性 而表与表之间则维持着某种关系 在相互关联的两个表中均存在的某一项来维持的 这种项叫做关键项 Key 地理数据库中的空间和属性数据之间的关系就是靠关键项来维持的 2 属性数据逻辑设计 28 所有的信息存放在一个属性关系表中 内容繁多 容量较大 在进行数据库各种操作时速度很慢 因此常将一个表分解成若干个子表 分解后表格虽多 但各表内容少 而且项与项之间的关系反而更明确 存储也更为有效 在进行数据库查询和更新时需要哪个表的信息则到哪个表中进行 属性信息与空间信息分开存储还有其它的好处 空间表户主表地块表 29 2 属性数据逻辑设计 关系模型的逻辑结构是一组关系模式的集合 而E R图则是由实体 实体的属性和实体之间的联系三个要素组成的 所以将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 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 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 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 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 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 每个实体的码均是该关系的候选码 如果与某一端对应的关系模式合并 则需要在该关系模式的属性中加入另一个关系模式的码和联系本身的属性 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 同一实体集的各实体间的联系 即自联系 也可按上述1 1 1 n和m n三种情况分别处理 具有相同码的关系模式可以合并 2 E R图向关系数据模型的转换 30 三 数据库物理设计 1 确定数据库的物理结构2 空间数据库的物理设计1 构造数据模型2 矢量和栅格数据文件 1 矢量格式 2 栅格格式3 属性关系数据库文件 31 1 确定数据库的物理结构 确定数据的存储结构设计数据的存储路径确定数据的存放位置确定系统配置 32 1 构造数据模型 空间物理数据库采用层次模型组织方式 把地图作为树的根 根据图块的划分原则 将空间数据分为若干个图幅 图幅构成树的结点 为了在地图中有效地组织和表达空间地理实体 按照地物的大小对其分级抽取 对不同大小地理的几何对象表示进行整理分层 层中每种类型的要素均由不同的文件来定义 结点记录之间具有一定的从属关系 由此形成内部空间索引系统 如果把层次模型中的记录按照从上到下 从左到右的顺序排列就得到一个记录序列 因此物理上可以通过层次顺序和路径查找记录实现该层次模型 2 空间数据库的物理设计 33 2 矢量和栅格数据文件 1 矢量格式矢量格式分为两种 多边形图形文件 线状 包括点状 图形文件 记录头占用24个逻辑单元 第28个逻辑单元以后开始记录空间坐标数据 每个逻辑单元为四个字节 对多边形要求记录每个边界弧段沿其前进方向的左 右多边形编号 以建立完整的拓扑结构 线点图形文件只记录每条线 或每个点 的编号 多边形编号和线点的编号可以作为指向属性记录的指针 可以是特征值 多边