第六章-空间数据库(自学)

1,第六章空间数据库,2,信息世界,1、数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实世界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的，因此引入一个信息世界作为现实世界通向计算机实现的桥梁。2、一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基本关系;另一方面，信息世界中的概念和关系，要以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现。信息世界起到了承上启下的作用。,3,现实世界信息世界计算机世界,现实世界,概念化,形式化,现实世界的信息,4,5,6.1数据库系统概述6.2数据库系统结构6.3空间数据管理6.4空间数据库的设计,6,6.11基本概念1.数据2.数据库3.数据库管理系统4.数据库系统,7,2、数据库一、定义,2、空间数据库的定义空间数据库是存取、管理空间信息的数据库。,建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。,1、数据库的定义数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据集合。,地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。,8,二、空间数据库的特点,与一般数据库相比，空间数据库具有以下特征：数据量特别巨大；空间数据和属性数据统一，数据种类多；应用广泛：数据应用面相当广泛。,在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。,9,3数据库管理系统,数据库管理系统是位于用户和操作系统之间的一层管理软件。（课本106）它的主要功能有：数据定义、数据操纵、数据库运行管理、数据库建立和维护。,10,4数据库系统,它是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、应用系统、数据库管理员、用户构成。,11,6.1.2数据管理的发展,12,一、数据管理的发展阶段,数据处理的中心问题是数据管理。数据管理指的是对数据的分类、组织、编辑、储存、检索和维护。主要经历了如下三个阶段：人工管理阶段(50年代中期以前)文件系统阶段(50年代后期60年代中期数据库系统阶段(60年代后期开始),13,1.人工管理阶段背景,背景：1、计算机主要用于科学计算(数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等)。2、外存只有磁带、卡片、纸带等，没有磁盘等直接存取设备。3、没有操作系统，没有数据管理软件(用户用机器指令编码)。,14,人工管理阶段特点,特点：1、数据完全面向特定的应用程序，每个用户使用自己的数据，数据不保存，用完就撤走；2、没有软件系统对数据进行管理；3、没有文件的概念，数据的组织方式必须由程序员自行设计；4、一组数据对应一组程序，数据是不共享的；5、数据与程序没有独立性，程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变。,15,16,2.文件系统阶段背景,背景：1、计算机不但用于科学计算，还用于管理。2、外存有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。3、软件方面，有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统，包括在操作系统中。4、处理方式方面，不仅有了文件批处理，而且能够联机实时处理。,17,文件系统阶段特点,特点：1、系统提供存取方法(索引文件、链接文件、直接存取文件、倒排文件等)，支持对文件的基本操作(增、删、改、查等)，数据可以长期保存。2、有软件系统对数据进行管理。3、数据共享差，冗余度大。4、数据与程序有一定的独立性，因为文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换，数据在存储上的改变不一定反映在程序上。,18,文件系统中程序与文件的对应,19,文件系统带来的后果,数据与程序的独立性差：文件系统的出现并没有从根本上改变数据与程序紧密结合的状况。文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担，它并不理解数据的语义，只负责存储。数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只有全权管理它的程序知道。数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序。一个应用若想共享另一个应用生成的数据，必须同另一个应用沟通，了解数据的语义与组织方式。数据的冗余度大：数据仍然是面向应用的。当不同应用程序所需要的数据有部分相同时，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据。数据分散管理。数据的不一致性：由于数据存在很多副本，给数据的修改与维护带来了困难，容易造成数据的不一致性。,20,3.数据库管理阶段背景,背景：1、计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求强（多种应用、不同语言共享数据）。2、外存有了大容量磁盘，光盘。3、软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更高，力求降低。,21,数据库管理阶段特点,特点：1、有了数据库管理系统。2、面向全组织，面向现实世界。3、独立性较强。4、由DBMS统一存取，维护数据语义及结构。数据库观点：数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立存在的对象。,22,二、文件系统与数据库系统的对比,文件系统的弱点：文件之间无联系难于维护数据的完整性数据库系统的用武之地：有查询数据复杂,文件系统：分别组织多个文件，存储各类对象的记录。系统不支持文件间的联系，由应用程序负责查询表达及数据的维护。,数据库系统(关系)：数据统一按表结构存放，联系也为表形式。查询：只需提查询要求，由系统完成查询过程。维护：应用提出完整性约束，系统自动检查。,23,数据库系统的优点,面向全组织的复杂的数据结构数据的冗余度小，易扩充具有较高的数据和程序的独立性1、数据独立性：2、数据的物理独立性：3、数据的逻辑独立性：统一的数据控制功能1、数据的安全性控制2、数据的完整性控制3、并发控制4、数据库的恢复,24,6.1数据库系统概述6.2数据库系统结构6.3空间数据管理6.4空间数据库的设计,25,一、数据视图：数据库管理系统的一个主要作用就是隐藏关于数据存储和维护的某些细节，而为用户提供数据在不同层次上的抽象视图，即不同的使用者从不同的角度去观察数据库中的数据所得到的结果(数据库中的)数据抽象。,26,数据抽象物理层,对用户来说，了解数据库中用来表示数据的复杂的数据结构没有太大的必要。数据库管理系统通过如下几个层次的抽象来向用户屏蔽复杂性，简化系统的用户界面。物理层：最低层次的抽象，描述数据实际上是如何存储的。物理层详细描述复杂的低层数据结构，是开发DBMS的数据库供应商应该研究的事情。,27,数据抽象逻辑层,逻辑层：比物理层稍高层次的抽象，描述数据库中存储什么数据以及这些数据间存在什么关系。逻辑层抽象是由数据库管理员和数据库应用开发人员使用的，他们必须确定数据库中应该保存哪些信息。,28,数据抽象视图层(概念层),视图层：最高层次的抽象，但只描述整个数据库的某个部分。尽管在逻辑层使用了比较简单的结构，但由于数据库的规模巨大，所以仍存在一定程度的复杂性。数据库系统的最终用户并不需要关心所有的信息，而只需要访问数据库的一部分。视图抽象层的定义正是为了使用户与系统的交互更简单。系统可以为同一数据库提供多个视图，而视图又保证了数据的安全性。,29,数据抽象的三个层次,30,同样的数据库，不同的视觉,视图1,DataBase,数据视图,31,二、数据库系统中模式的分级,模式的分级：为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使用户看到的数据库，与数据库的物理方面，即实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的。数据库系统三级模式结构：CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage，美国数据系统语言协商会）提出模式、外模式、存储模式三级模式的概念。三级模式之间有两级映象。,32,数据库的三级模式体系,数据库,内模式,模式,外模式2,外模式1,外模式3,应用A,应用B,应用C,应用D,应用E,外模式/模式映象,模式/内模式映象,33,1、模式：模式是数据库数据在逻辑级上的视图。一个数据库只有一个模式，数据库模式以某一数据模型为基础，统一综合的考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机的结合成一个逻辑整体。模式必须具备三个特征：（1）必须和企业的基本结构一致；（2）必须具有可扩展性；（3）必须可以转化为用户所需要的视图和多种数据存储及存储架构。,34,2、外模式：也称子模式或用户模式，它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据用户的数据视图，是与某一应用程序有关的数据的逻辑表示。,35,（3）内模式：也叫存储模式或物理模式，它定义了数据库中全部数据的物理结构、存储方法和存取策略等。,36,三、数据库的二级映像功能,外模式/模式映象：定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为逻辑独立性。模式/内模式映象：定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。,37,四、数据库系统的体系结构：1.单用户数据库系统2.主从式结构的数据库系统3.分布式结构的数据库系统4.客户/服务器结构的数据库系统,38,6.1数据库系统概述6.2数据库系统结构6.3空间数据管理6.4空间数据库的设计,39,一、地理信息系统与一般管理信息系统的比较：1.两者的区别：硬件上软件上信息处理的内容和采用目的方面2.共同之处都以计算机为核心都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点不断改进和完善,40,6.1数据库系统概述6.2数据库系统结构6.3空间数据管理6.4空间数据库的设计,41,一、数据库中的数据组织方式,数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。2、记录：由若干相关联的数据项组成。3、文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。,42,附：关系DB中数据组织实例,数据项,记录,文件,数据库,43,二、数据模型的练习,用三种模型（层次、网络、关系）组织图：,44,层次模型,1、它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。2、层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。3、层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。,45,网络模型,M,a,b,c,d,e,f,g,1,2,3,4,5,6,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。,46,关系模型,点,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关系的一种非常有效的数据组织方法。,47,面向对象的数据模型,面向对象（object-oriented，oo）的概念起源于程序设计语言面向对象的编程语言(简称OOPL)，强调对象概念的统，引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。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。,48,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。,三、空间数据库的设计,49,空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。,设计步骤,50,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。,1.需求分析,51,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。,用户需求分析方法：,52,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。,1.需求分析,53,2.结构设计,指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。,54,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。,A概念化设计,55,4）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。,56,是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。,表示概念模型最有力的工具是ER模型，即实体联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现实地理世界，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，比一般的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。,57,58,B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。,59,C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。,60,物理设计的好坏将对地理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。在完成物理设计后，要进行性能分析和测试。,61,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。,62,3数据层设计,GIS的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。例如，地形图数据可分为地貌、水系、道路、植被、控制点、居民地等诸层分别存贮。将各层叠加起来就合成了地形图的数据。在进行空间分析、数据处理、图形显示时，往往只需要若干相应图层的数据。,63,4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。,64,数据字典的内容包括：数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层详细内容的定义及结构、数据命名的定义、元数据等内容。,65,小结,66,