地理信息系统空间数据库ppt课件

第四章地理信息系统空间数据库 第1节空间数据库概述第2节传统的数据模型第3节语义和面向对象数据模型第4节空间数据库逻辑模型设计和物理设计第5节GIS空间时态数据库 主要内容 第一节空间数据库概述 1 数据库的相关概念 数据库 是指长期储存在计算机内有结构的 大量的 可共享的数据集合 数据库管理系统 是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件 他的功能包括 数据定义 数据操作 数据库的运行管理 数据库的建立和维护 数据库系统 指在计算机系统中引入数据库后的系统 它由数据库 数据库管理系统及其开发工具 应用系统 数据库管理员和用户构成 数据库系统管理员 负责数据库的建立 使用和维护的专门人员 一 空间数据库的概念 第一节空间数据库概述 2 空间数据库的相关概念空间数据库 是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总合 以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上 空间数据库 系统 组成 空间数据库 是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总合 一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介质上 空间数据库管理系统 是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义 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 数据库应用系统 应用模块 第一节空间数据库概述 常规数据库管理系统扩展 直接对常规数据库管理系统进行扩展 加入一定数量的空间数据存储与管理功能 例如 Oracle空间数据库引擎 SDE SpatialDatabaseEngine 在常规数据库管理系统上加一层空间数据库引擎 实现空间数据的存储与管理 例如 ESRI的SDE 3 空间数据库管理系统的实现方法 空间数据库管理系统是建立在常规数据库管理系统的基础上 实现对空间数据的管理功能 第一节空间数据库概述 1 空间数据库的设计过程 这一过程一般需要两步 人类对客体的认识 抽象 建立概念模型 将概念模型转换为计算机能够接受的形式 即数据模型 就是将地理空间客体按一定的组织形式 在数据库系统中加以表达的过程 二 空间数据库的设计 第一节空间数据库概述 地理空间是一个三维空间 有四个基本实体点实体线实体面实体体实体 地理空间的认知 地理空间实体 客体 第一节空间数据库概述 地理空间实体间的联系 第一节空间数据库概述 能够对空间数据进行统一管理帮助用户查询 检索 增加删除和修改数据保障空间数据的独立性 完整性 和安全性 2 空间数据库的数据模型设计 数据模型建立的目的揭示空间实体的本质特征 并对其进行抽象化 使之转化为计算机能够接受和处理的数据形式 第一节空间数据库概述 实际上是现实世界到机器世界的一个中间层 概念模型用于信息世界的建模 是现实世界到信息世界的第一层抽象 是设计人员的有力工具 1 概念模型 第一节空间数据库概述 1 实体 Entity 客观存在并可相互区别的事物 2 属性 Attribute 实体所具有的某一特性 3 码 Key 唯一标识实体的属性集 4 域 Domain 属性的取值范围 5 实体型 EntityType 具有相同属性的实体必然有共同的特征和性质 6 实体集 EntitySet 同型实体的集合 7 联系 Relationship 不同实体集之间的联系 信息世界中的基本概念 第一节空间数据库概述 一对一联系 1 1 一对多联系 1 n 多对多联系 m n 注意 E R图仅仅是对现实世界描述的一种工具 仅能建立概念模型 信息模型 不能在计算机上直接实现 两个实体之间的联系可分为以下三类 第一节空间数据库概述 层次模型网状模型关系模型面向对象模型 2 数据模型 常用数据模型种类 第一节空间数据库概述 设计原则 尽量减少空间数据存储冗余 提供稳定的空间数据结构 在用户的需要改变时 数据结构能够做出相应的变化 满足用户对空间数据及时访问的需求 高效提供用户所需的空间数据查询结果 在空间元素间维持复杂的联系 反映空间数据的复杂性 支持多种决策需要 具有较强的应用适应性 3 空间数据库设计的原则 步骤和技术方法 第一节空间数据库概述 第一步需求分析第二步概念设计第三步逻辑设计第四步物理设计第五步数据库的实施和维护 设计步骤 第一节空间数据库概述 明白即将开发的GIS所支持的各种功能 了解系统要求的数据内容和行为 了解数据之间的关系和优先次序 这些信息有利于制定数据库的开发实施计划 了解数据库和GIS的整体要求和蓝图 现状调查调查内容的组织的分析 第一步用户需求分析 GIS数据库开发应该主要了解下面的内容 用户需求分析方法 第一节空间数据库概述 用户需求分析过程 现状调查 通过实际调查了解用户的现状及要求调查内容的组织的分析 对调查的结果进行整理 分析和组织 并提交报告及图件 包括 现有机构的组织结构图软件 硬件资源表专业人员清单部门功能清单数据来源清单 第一节空间数据库概述 把用户的需求加以解释 用概念模型表达出来 具体任务包括 1 数据库的宏观定义指对数据库比例尺 地图投影和坐标系统的定义 2 数据库的特征设计对于各种地理特征有关的属性数据中以什么几何形式表达进行设计 3 数据库表格及其关系的设计表达对与地理特征有关的属性数据在数据库中表达方式的设计 第二步概念化设计 第一节空间数据库概述 4 数据库总体设计的评定根据数据库的应用目的和数据内容及使用方式来评价前面三步的设计结果 5 数据库概念模型的起草将GIS数据库的概念设计起草成正式的文件 作为后面详细设计时参考 第一节空间数据库概述 第三步逻辑设计逻辑设计应该选择最适于描述与表达相应概念结构的数据模型 然后选择最合适的空间数据库管理系统 设计逻辑结构时一般要分三步进行 将概念结构转换为一般的关系 网状 层次模型 将转化来的关系 网状 层次模型向特定空间数据库系统支持下的数据模型转换 对数据模型进行优化 第一节空间数据库概述 数据库的物理设计特点设计人员必须充分了解所用DBMS的内部特征 特别是存储结构和存取方法 充分了解应用环境 特别是应用的处理频率和响应时间要求 充分了解外存设备的特性 第四步物理设计数据库最终是要存储在物理设备上的 为一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构 存储结构与存取方法 的过程 就是数据库的物理设计 第一节空间数据库概述 根据逻辑设计和物理设计的结果 在计算机上建立实际的空间数据库系统 装入空间数据 并调试和运行 建立实际的空间数据库结构装入试验性的空间数据对应用程序进行测试 以确认其功能和性能是否满足设计要求装入实际的空间数据 即数据库加载 建立起实际运行的数据库 数据库试运行 1 数据库的实现 三 空间数据库的实施和维护 第一节空间数据库概述 2 相关的其它设计 在数据库试运行期间 应进一步完善数据库的功能和性能 1 空间数据库再组织 调整或者改变空间数据库的概念 逻辑和物理结构的 2 安全性考虑 规定相应的数据库使用权限 保证数据库的安全运行 主要方法是授权 3 故障恢复处理 数据库恢复就是把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态 亦称为一致状态或完整状态 的功能 4 事务控制 事务控制的目的就是保证多用户环境下的数据库的完整性和一致性 第一节空间数据库概述 1 维护空间数据库的安全性和完整性 需要及时调整授权和密码 转储及恢复数据库 2 监测并改善数据库性能 分析评估存储空间和响应时间 3 增加新功能 按用户的需要及时扩充功能 满足用户的新需要 4 修改错误 包括程序和数据 3 空间数据库的运行与维护 第二节传统的数据模型 一 层次数据模型 有且只有一个结点没有双亲结点 这个结点称为根结点根以外的其它结点有且只有一个双亲结点同一双亲的子女结点称为兄弟结点 没有子女结点的结点称为叶结点 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型 层次数据库系统采用层次模型作为数据的组织方式 用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系 如行政机构 家族关系等 1 层次模型的数据结构特点 第二节传统的数据模型 在右图的例子中 R1根结点 R2和R3为兄弟结点 是R1的子女结点 R4和R5为兄弟结点 是R2的子女结点 R3 R4 R4 是叶结点 第二节传统的数据模型 多边形层次数据结构 第二节传统的数据模型 2 层次模型的数据存储 层次数据库中不仅要存储数据本身 还要存储数据之间的层次关系 应将两者的存储结合在一起 数据存储方法包括 邻接法 树遍历法 和通用选择法 第二节传统的数据模型 层次数据库及其实例 邻接法 树遍历法 按照层次树前序穿越的顺序 把所有记录值依次邻接存放 即通过物理空间的位置相邻来体现 或隐含 层次顺序 数据检索首先搜索双亲结点 然后搜索其子女结点 第二节传统的数据模型 通用选择法 通用选择法不依赖于客体在树状结构中的顺序 而是根据所确定的选择条件 在结构中选择某特定的客体 DRAWcoordinatesWHEREarcs arc1 例如 从数据库中提取弧段arc1的坐标并显示 第二节传统的数据模型 二 网络数据模型 在现实世界中客体的联系更多的是非层次关系的 用层次模型表示非树形结构是很不直接的 网络模型可以克服这一弊病 在数据库中 把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为网状模型 允许一个以上的结点无双亲 一个结点可以有多于一个的双亲 网状模型可以更直接地去描述现实世界 而层次模型实际上是网状模型的一个特例 第二节传统的数据模型 网状模型示例 右图 a 中 R3有两个双亲记录R1和R2把R1和R2之间的联系命名为L1 把R2与R3的联系命名为L2 第二节传统的数据模型 网状模型的数据结构网状数据库的存储结构中关键是如何实现记录之间的联系 常用的方法是链接法 包括单向链接 双向链接 向首链接等 此外还有其它实现方法 如引元阵列法 二进制阵列法 索引法等依据具体系统不同而不同 网状数据库实例 第二节传统的数据模型 三 关系数据模型 1 关系模型的基本概念 1 关系 关系是一个二维表 表的每行对应一个元组 表的每列对应一个域 属性 每列起一个名字 如XTIC 第二节传统的数据模型 基本关系通常可称为基本表或基表 它是实际存储数据的逻辑表示 查询表是查询结果对应的表视图表是由基本表或其它视图表导出的表 是虚表 不对应实际存储的数据 2 关系的类型 第二节传统的数据模型 关系中某一属性组 若它的值能唯一地标识一个元组 则称该属性组为候选关键字 3 关键字 主关键字 若一个关系有多个候选码 则选定其中一个为主关键字 主属性 主关键字的诸属性称为主属性 非码属性 不包含在任何候选关键字中的属性称为非码属性 第二节传统的数据模型 一个关系需要描述的方面 关系是元组的集合 因此关系模式必须指出这个元组集合的结构 即它由哪些属性构成 属性来自哪个域 以及属性与域的映象关系 一个关系通常是由赋予它的元组语义来确定的 元组语义实质上是一个n目谓词 凡是符合元组语义的那部分元素的全体就构成了该关系模式的关系 随着时间的变化 关系模式的关系也将发生变化 4 关系模式 关系的描述称为关系模式 第二节传统的数据模型 关系是关系模式在某一时刻的状态或内容 关系模式是静态的 稳定的 而关系是动态的 随时间不断变化的 在实际当中 人们常常把关系模式和关系不加区别 关系和关系模式之间的区别和联系 第二节传统的数据模型 是对某一类数据的结构和属性的说明 2 关系数据库 在一个给定的应用领域中 所有实体与实体之间的联系的关系的集合构成一个关系数据库 关系数据库的型 Type 是型的一个具体赋值 关系数据库的值 Value 第二节传统的数据模型 指关系的准确性 相容性和有效性 关系的完整性 第二节传统的数据模型 若属性A是基本关系R的主属性 则属性A不能取空值 实体完整性 第二节传统的数据模型 参照完整性在关系模型中 实体及实体间的联系都是用关系来描述的 那么在两个或者两个以上的关系间就自然存在引用 Typename11121314 第二节传统的数据模型 关系模型应提供定义和检验这类完整性的机制 以便用统一方法处理它们 应用程序不承担这一功能 用户定义的完整性 不同的关系数据库系统根据其应用环境的不同 往往需要一些特殊的约束条件 用户定义的完整性就是针对某一具体关系数据库的约束条件 它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求 例如 某个属性必须取唯一值 某个属性的取值范围在0 100之间等 第二节传统的数据模型 三种传统数据模型的比较 第四章地理信息系统空间数据库 第1节空间数据库概述第2节传统的数据模型第3节语义和面向对象数据模型第4节空间数据库逻辑模型设计和物理设计第5节GIS空间时态数据库 主要内容 第三节语义和面向对象数据模型 传统数据模型的不足传统数据库系统管理的是不连续的 相关性较小的数字和字符 而地理信息数据是连续的 并且具有很强的相关性 传统数据库系统管理的实体类型太少 并且实体之间通常只有简单 固定的空间关系 而地理空间数据的实体类型繁多 实体类型之间存在着复杂的空间关系 并且还能产生新的关系 如拓扑关系 传统数据库系统管理是以等长记录为基础的结构 而地理空间数据通常是结构化的 其数据项可能很大 很复杂 并且是变长记录 传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息 而地理空间数据库中需要有大量空间数据库操作和查询 如特征提取 影象分割 影象代数运算 拓扑和相似性查询 第三节语义和面向对象数据模型 语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成 用这些抽象来描述实体的基本语义特性 根据语义模型结构规则 把这些抽象有机的组织起来 语义模型是概念模型的一种 是对信息世界建模 表示方法有多种 其中实体联系方法 Entity RelationshipApproach 得到广泛应用 该方法用E R图来描述现实世界 用于建立概念模型 一 语义数据模型 E R模型 第三节语义和面向对象数据模型 实体型实体是对客观存在的起独立作用的客体的一种抽象 属性用椭圆形表示 并用无向边将其与相应的实体联系起来 联系是客体间有意义的相互作用或对应关系 一般分为三种联系 一对一 1 1 一对多 1 N 多对多 M N E R图表达的三种语义 第三节语义和面向对象数据模型 实体型用矩形来表示 矩形内写明实体名 属性用椭圆形表示 并用无向边将其与相应的实体联系起来 联系用菱形表示 菱形框内写明联系名 并用无向边分别与有关实体联系起来 同时在无向边上标注联系的类型 1 1 1 n或m n E R图表示实体型 属性和联系的方法 第三节语义和面向对象数据模型 E R图表示两个实体之间的三类联系 E R模型的图形表示 第三节语义和面向对象数据模型 E R模型设计步骤 1 设计各个局部E R图根据需求分析的结果 数据流图 数据字典等 对现实世界的数据进行抽象 分解成不同功能的局部模块 对每个局部模块设计视图 即分E R图 分E R图中每一部分对应一个局部应用 第三节语义和面向对象数据模型 不同局部视图中同一对象具有不同的抽象 同一实体中所包含的属性排列次序不完全相同 实体之间的联系呈现不同的联系类型 2 设计全局E R图 属性域冲突 即属性值的类型 取值范围或取值集合不同 属性取值单位冲突 同名异义 异名同义 一义多名 命名冲突 结构冲突 第三节语义和面向对象数据模型 E R图的优化原则 实体类型个数尽可能少 实体类型所含类型最少 实体间联系无冗余 全局E R图的优化 第三节语义和面向对象数据模型 E R图的特点 接近人的思维 易于理解E R图与计算机的实现无关 E R图仅仅是概念模型 无法在计算机上直接实现 在数据库逻辑设计阶段应该将概念模型转化为计算机能够接受的数据模型 如层次 网络 关系模型 第三节语义和面向对象数据模型 二 面向对象的数据模型 面向对象的系统分析与设计 OOA D 面向对象的分析与设计 OOA D 方法的发展在80年代末至90年代中出现了一个高潮 产生了统一的建模语言UML UnifiedModelingLanguage UML适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统 而且适用于系统开发的不同阶段 从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护 第三节语义和面向对象数据模型 采用面向对象的思想 对系统进行分析 根据用户需求提取出系统应具有的属性和行为 将分析的结果用某种易于转化为编码或易于理解的形式表达出来 我们常见的有流程图 ER图 数据流图等 分析和设计是两个相互结合 渐进的过程 面向对象的设计 面向对象的分析 第三节语义和面向对象数据模型 1 面向对象数据模型的基本概念 1 对象对象就是现实世界中客体的模型化 与数据库中记录 元组等概念相似 如 行政区域的多边形对象 表示一条河流的弧段对象对象的两个特点状态性特征 是通过域来描述的 可称为私有存储单元 封装性特征 对象的封装性特征表现为它的私有存储单元只能由它自己的功能进行处理 二 面向对象的数据模型 第三节语义和面向对象数据模型 2 消息消息是对象之间相互请求或相互协作的唯一途径 一个对象必须通过向其它对象发送消息的形式使得其它对象提供各自能实现的功能 消息的特性 消息是对象之间唯一的通信形式 消息是外界能够引用对象操作及获取对象状态的唯一方式 消息的这些特性保证了对象的实现只能依赖于它本身的状态和所能接受的消息 而不依赖于其它对象的内部细节和状态 第三节语义和面向对象数据模型 消息类型公有消息如果一些消息属于同一个对象 其中有些消息可由其它对象向它发送的 叫做公有消息 私有消息如果一些消息是由它自己向自身发送的 就叫做私有消息 第三节语义和面向对象数据模型 多边形对象组成 对象的组成示意 第三节语义和面向对象数据模型 3 类类是对一组对象的抽象描述 它将该组对象所具有的共同特征集中起来 以说明该组对象的能力和性质 实例是某类的一个具体抽象 类是多个实例的抽象的总和 类和实例之间是抽象和具体的关系 类的确定方法是归纳 这就要求在观察问题是 注意提炼所遇到对象的共同特征 以确定其类的表达 实例 是某类的一个具体抽象 类和实例之间的关系 第三节语义和面向对象数据模型 1 继承是现实世界中对象之间的一种独特关系 它使得某对象可以自然的拥有另外一类对象的某些特征和功能 2 继承及类之间的层次关系 继承包括单继承和多继承两种 如下图 第三节语义和面向对象数据模型 2 类的层次结构 是引入类的继承关系而产生的 包括超类 被继承的类称为超类 子类 继承其他类的对象称为子类 第三节语义和面向对象数据模型 面向对象的功能重载和多态 3 功能重载和多态性 实现消息传递 功能重载 功能重载实际上意味着实现特定功能的方法不仅以名称来区分 而且用它所带的参数来区别 多态性 是同一个消息可以根据对象的不同 采用多种不同的行为方式 第三节语义和面向对象数据模型 4 概括和聚集概括 是把一组具有相同特征和操作的对象类归纳在一个更一般的超类中 例如 多边形对象类和弧段对象类共同具有的一些空间特征 它们可作为空间对象类的子类 而空间对象类则是它们的超类 概括形成了子类和超类之间的is a的语义联系 第三节语义和面向对象数据模型 聚集 反映了嵌套对象的概念 嵌套对象是由一些其它对象组成的 它是用来描述较高层次对象的一种形式 例如 上述的地理信息系统图形显示子系统中 一个图层对象类是由多边形对象类 弧段对象类 点对象类等对象类的聚集体 这里的图层对象就是嵌套对象 多边形对象类与图层对象之间形成is part of的语义联系 第三节语义和面向对象数据模型 运用上述面向对象的概念和方法 就可以建立起地理信息系统中空间数据库的对象数据模型 OpenGIS协会推荐了一种空间对象数据模型 其中的简单几何特征集如图所示 5 空间数据库对象模型 简单几何特征集关系 第四节逻辑模型设计和物理设计 1 初始模式的形成把E R图表示的实体联系类型 转换成选定的数据库管理系统所支持的记录类型 如层次 网状 关系模型 面向对象等 2 子模式设计子模式是应用程序与数据库的接口 允许有效访问数据库而不破坏数据库的安全性 3 模式评价根据定量分析和性能测试对数据库结构作出评价 4 优化模式利用数据库管理系统提供的功能 对模式进行优化 但不改变数据库的信息 一 空间数据库逻辑设计的步骤和内容 第四节逻辑模型设计和物理设计 二 E R模型向关系数据库的转换 E R图可以向不同的数据库模型转换 这里的以关系数据库转换为例 1 实体转换为关系模式 一个实体型转换为一个关系模式 2 实体之间的联系可以分以下情况进行转换 1 1联系转换每个实体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 每个实体的关键字是该关系的后选关键字 1 N联系转换 可以分两种情况A 转换为独立的关系模式 关系的关键字为N端的关键字 B 与n端对应的关系模式合并 关系的关键字为N端的关键字 第四节逻辑模型设计和物理设计 M N联系转换转换为独立关系模式 关系的关键字是与该联系相连的各实体的关键字的组合 第四节逻辑模型设计和物理设计 三 关系数据库的逻辑设计 5步 将E R图转换成关系模式根据转换规则 将将E R图转换成关系模式 规范化处理任务是消除异常 改善完整性 一致性和存储效率 一般使关系达到3NF就可以满足使用 规范化过程实际上就是单一化过程 即一个关系描述一个概念 如果关系中多于一个概念 就把它分离出来 模式评价目的是检查数据库模式是否满足用户的要求 包括功能评价和性能评价 第四节逻辑模型设计和物理设计 优化模式合并 是对具有相同关键字的关系模式 如果对它们的处理主要是查询操作 且常在一起使用 可将这类关系模式合并 分解 是指关系虽已达到规范化的要求 但如果某些关系的属性过多 则会影响效率 可将它分割成为两个或多个关系模式 按属性组分解的称为垂直分解 垂直分解需满足得到的每一个关系都包含主关键字 形成数据库的逻辑设计说明书包括 模式及子模式的集合 可用数据库管理系统的语言描述 也可列表描述 应用设计指南 设计访问方式 查询路径 处理要求 约束条件等 物理设计指南 包括数据访问量 传输量 存储量 递增量等 第四节逻辑模型设计和物理设计 四 空间数据库的物理设计 可分为5步 前三步为结构设计 后两步为约束和程序设计 1 存储记录的格式设计 对数据项类型特征作分析 对存储记录进行格式化 决策如何进行数据压缩或代码化 2 存储方法设计 是把存储记录在全数据库范围内进行物理存储安排 顺序存储 该存储方式的平均查询次数为关系记录个数的1 2 散列存储 该存储方式的查询次数由散列算法所决定 索引存储 需要确定创建何种索引 及在哪些库和属性上建立索引 聚簇存储 是指将不同类型的记录分配到相同的物理区域中去 第四节逻辑模型设计和物理设计 3 访问方法设计 访问方法设计为存储在物理设备上的数据提供存储结构和查询路径 该设计与选用的数据库管理系统有很大关系 4 完整性和安全性考虑 根据逻辑设计说明书中提供的对数据库的约束条件 具体选择的数据库管理系统和操作系统的性能特征及硬件环境 设计建立数据库完整性和安全性措施 5 应用设计 包括人机界面的设计 输入 输出格式的设计 代码设计 处理加工设计等 6 形成物理设计说明书 包括存储记录格式 存储记录位置分布及访问方法 它能满足的操作需求 并给出对硬件和软件系统的约束 第五节GIS空间时态数据库 一 空间时态数据库概述 时空数据库系统或数据处理技术 研究内容包括以下三个方面 1 空间时态数据的表达空间时态数据表达的目的在于建立空间时态一体化数据模型 它涉及到时间标志 空间时态版本的标识 空间变化类型的定义 空间拓扑与时态拓扑 空间时态数据的存储结构 以及存取策略等内容 第五节GIS空间时态数据库 2 空间时态数据的