第2章_空间概念和数据模型.ppt

空间数据库,第2章空间概念和数据模型,第2章空间概念和数据模型,本章内容,2.1空间信息模型2.2数据库设计的三个步骤2.3趋势：用空间概念扩展ER模型2.4趋势：用UML构建面向对象数据模型2.5小结,关键点,本章讲述空间数据库概念设计有关的技术；空间概念、抽象、建模、数据模型、数据库设计；场模型、对象模型。,背景,传统数据库主要关心商务和管理应用领域；重点是高效安全地处理大量相对简单的事物；GIS，CAD以及工程等具有明确的空间和几何成分的应用空间数据更为复杂，传统数据库不足以处理；空间数据库的设计和实现由应用领域专家解决；传统数据库设计和实现由计算机专家解决。,2.1空间信息模型,现实世界（抽象）信息世界（转化）数据世界（建立概念模型）（建立数据模型）,模型：对现实世界中的实体或对象的抽象或简化，是对实体或现象中的重要构成及其相互关系的表达，能反映事物固有的特征或运动变化规律。,数学模型：变量-公式数据模型：类别-关系,什么是模型？,空间资料和数据,几何测量数据取样数据图纸数据,建模依赖于建模对象的直接、间接的资料和数据的分析不同领域对同一对象有不同的模型,空间建模,空间信息模型,一个州立公园的例子用连续变量分布表达空间现象-场模型用离散类别分布表达空间现象-对象模型,州立公园（State-Park）的SDB例子,森林（Forest）道路（Road）管理员（Manager）消防站（Fire-Station）设施（Facility）（野营地，办公室）河流（River）,森林的场模型观点,从函数的角度看，森林可建模成一个函数。定义域是森林占据的地理空间。值域是树种的集合；空间二维坐标连续取值，空间（X,Y）上任何一点都对应一个函数值f(x,y)。考虑森林分布，按林分对空间区域作穷尽划分。,(0,4),(0,0),(0,2),(4,0),(2,0),橡树,冷杉,松树,其他,f(x,y)=,“松树”，0x2;2y4,“冷杉”，0x2;0y2,x,y,“橡树”，2x4;0y2,“0”，2x4;2y4,场模型适合表达的空间现象,物理参数温度、气压、湿度、电磁场、流体环境参数化学污染分布、地表化学元素分布,森林的对象模型,考虑f值发生变化的地方，在明确规定树种之间界限的情况下，可以得到多边形的边界。每个多边形都有一个唯一的标识和树种名称。得到二维空间中的离散对象及其坐标。,(0,4),(0,0),(0,2),(4,0),(2,0),橡树,冷杉,松树,其他,x,y,对象模型适合表达的空间现象,人工建筑物城市基础设施，道路、房屋、公园自然对象河流、湖泊、热带气旋、危险区域其他类别变量,Network,2.1.1场模型的结构和操作,场模型的3个组成部分：空间框架:空间格网，（定义域：空间+自变量）场函数:fi:空间框架-属性域（Ai）场操作：对单个或多个场函数值的操作场模型的空间操作叠加操作(局部操作)：给定位置的新场值取决于同一位置的多个输入场值，（f+g）(x)=L(f(x),g(x)，常用于地图综合。聚焦操作：给定位置的新场值取决于该位置的一个假定小邻域上的输入值，例如高程场的梯度，温度场梯度。带操作（区域操作）：例如计算区域的面积、平均值等。,2.1.2对象模型,将空间信息抽象成明确的可标识的类别实体或事物，称之为对象，并加以命名（名称变量）。与场函数不同（数值变量）。空间对象的主要特点是它的属性集，包括空间属性和非空间属性。,场模型与对象模型的关系,空间域上对象集合的某些属性可以形成数据场；对场模型数据按照区间值分割或划分可以形成空间对象。,2.1.3空间对象模型中的数据类型,属性数据类型：整型，浮点型，日期型等基本空间数据类型：点、线、面、体,1维,2维,3维,OGC空间对象,几何体,点,面,线,空间参照系统,几何体集合,多面,多线,多边形,线串,2*,多点,1*,1*,线,线性环,多个多边形,多个线串,2*,1*,继承,构成,聚合,SDTS的空间数据类型（对象类型）,SDTS对象,OracleSpatial的空间对象,XML表示的空间对象,0.0,0.030.0,50.060.0,100.070.0,50.0100.0,30.00.0,0.0,0.00.0100.0100.0,2.1.4空间对象的操作,1）面向集合的操作并(Union)交(Intersection)包含属于,2）面向拓扑的操作,找出所有与给定对象存在拓扑关系R的对象。对象A和B之间存在什么样的拓扑关系R？空间对象的拓扑关系类型Point-Surface;Curve-Surface;Surface-Surface,例子：地块与危险弃物场规划带或线与洪泛区,平面上二元拓扑关系,基于以下的相交情况：A的内部A，边界A以及外部AB的内部B，边界B以及外部B九交矩阵,交为空集：用0表示交为非空集：1,两个空间对象的拓扑关系,表2-1拓扑操作举例,空间对象的其他操作,方位操作度量空间操作,2.1.5动态空间操作,静态操作中操作对象不受操作的影响。动态操作改变它所作用的对象。三种基本的动态操作：创建Create销毁Destroy更新Update,将空间对象映射到JAVA,找出Maple野营地周围方圆10公里内的旅游公司。,Facility类,Importjava.lang.*Importjava.io.*Importutil.*publicclassFacilityprotectedStringname;protectedStringtype;protectedpointlocation;,将空间对象映射到JAVA,publicFacility(Stringname,Stringtype,Pointlocation)=name;this.type=type;this.location=location;publicbolleanwithinDistance(Facilityf,doubled)if(this.location.distance(f.location)d)returntrue;elsereturnfalse;,2.2数据库设计的三个步骤,概念模型设计（E-R）逻辑模型设计：与概念数据模型在商用DBMS上的具体设计实现（关系模型、层次模型、网状模型）有关。关系模型设计：关系表，属性，关系模式，逻辑一致性。关系查询语言SQL与关系代数（详细在第三章讲）。关系数据模型（关系代数）并不能满足空间数据的建模要求；GIS与关系数据库之间还存在相当大的语义鸿沟。目前还没有广为接受的地理信息数学模型，地图代数并不成熟。ArcGIS的Geodatabase提供了空间实体及其关系的要素-对象-关系模型，但不支持SQL查询操作。物理模型设计：空间存储、索引(第4章)。,E-R模型（概念模型）,实体和属性现实世界被划分为一个个实体（Entity），或对象；例如州立公园中的：河流、森林、设施实体由属性（Attributes）来描述其性质，唯一标识实体的属性或属性集称为码（Key）。属性包括名称和类型：类别、比例、数值（场）。属性的单值和多值：例如森林的空间多值属性（包括多个多边形）联系实体间关系通过联系来关联表达；,二元联系,一对一联系（1:1）管理者与森林多对一联系（M:1）设施与森林多对多联系（M:N）河流与设施,基数（Cardinality）,实体及其属性,River,Name,Length,LineID,Discharge,Quality,Facility,Name,Length,LineID,实体的联系,River,Name,Length,LineID,Discharge,Quality,Facility,Name,Length,LineID,Supplies_water_to,N,M,Volume,E-R图,州立公园例子的ER图,个实体属性个联系,逻辑设计：关系模型,1970年CODD提出，最流行的逻辑数据模型；表称为一个关系（Relation），列称为属性(Attribute)；元组（或行）对应关系实例；属性的取值范围称为域：整型、浮点型、字符型、日期型。不支持自定义类型和几何类型。,关系模型中的约束,逻辑一致性要求，维护某些约束：码约束：每个关系必须有一个主码（primaryKey）实体完整性：主码不能取空值参照完整性：外码（foreignkey）的属性值要么是另一个关系的主码值，要么为空值。,将ER模型映射到关系模型,通常有个基本步骤：（由CASE工具生成的ER图可以转化成关系模式：ERwin;OracleDesigner;RationalRose.）将每个实体映射成一个独立的关系；1：1的联系，将任一实体的码属性作为其他关系的外码；M:1的联系，“1”侧关系的主码作为“M”侧关系的外码。M:N的联系，每个M:N联系被映射成一个新的关系，关系的名称就是联系的名称，关系的主码由参与实体的主码对组成。对于多值属性，创建一个有两列的新关系：一列为拥有该多值属性的实体的码，另一列为该多值属性。,州立公园的例子：M:N联系映射为新表,Supplies_Water-To是Facility实体和River实体之间的一个M:N联系，河流和设施的名字组成主码，Volume为新表的一个属性。,Supplies_Water-To,FacNameRivNameVolume(varchar)(varchar)(Real),州立公园的例子：多值属性,Forest-Stand有一个多值属性Polygonid。创建一个有两列的新关系：一列为拥有该多值属性的实体的码，另一列为该多值属性,StandId(Integer)(Integer),Forest-Standard-Geom,Polygonid,E-R图,州立公园例子的ER图,个实体属性个联系,州立公园中森林林份的关系模式,Forest-Stand,Stand-idSpeciesForest-name(Integer)(varchar)(varchar),Forest-Stand-Geom,Stand-idPolygonid(Integer)(Integer),M:1的联系，“1”侧关系的主码作为“M”侧关系的外码。,州立公园中实体和联系的关系数据库模式规则：（1）实体关系表（2）M:N联系关系表（3）多值的几何属性关系表,空间表,在关系数据库模型中，ER图中实体的空间属性必须用特殊的方式处理：空间属性被表示为新的关系：,Point,Polygon,Line,2.3用空间概念扩展ER模型,用形象图扩展ER模型增加空间实体的语义（Point,Line,Polygon）增加空间关系（拓扑关系，Part-of关系）用类似于BNF（Bachus-Naurform巴克斯-诺尔范式）来表达空间扩展。,BNF表示的实体象形图,（1）象形图,任意可能的形状,用户定义形状,基本形状复合形状导出形状备选形状,BNF表示的实体象形图,（2）形状,BNF表示的实体象形图,（）基本形状,有哪些？,BNF表示的实体象形图,（）基本形状,点,线,面,BNF表示的实体象形图,（）复合形状,（）导出形状,（）备选形状,（）任意形状,（）自定义形状,BNF表示的联系象形图,Part-of,用空间概念扩展ER模型,2.4趋势：用UML构建面向对象数据模型,面向对象语言促进了OODBMS的发展；UML是用于面向对象软件设计的概念建模标准之一；包括：类属性关系方法,类、属性和关系,类：应用中所有具有相同性质的对象的抽象和封装。属性：描述类和对象的特征。+公有的属性：属性可以被任何类访问和操作；-私有的属性：只有属性所在的类才能访问这个属性；#受保护属性：从父类派生的类可以访问该属性。关系聚合（aggregation）:描述部分整体关系泛化（generalization）:描述一般-特殊关系关联（association）:描述不同类对象的对等关系。方法函数，类定义的一部分，用来修改类的行为或状态。,UML例子,Supplies_Water_To,#Volume,River,#Name,#Length,+GetName(),Facility,#Name,+GetName(),Supplies_water_to,Forest,#Name,#Geometry,+GetName(),Belongs_to,*,*,1.*,1,ER与UML的比较,2.5小结,两种空间信息模型场模型对象模型空间信息模型中的数据类型矢量数据模型栅格数据模型空间对象模型中的操作数据库设计的三个步骤扩展ER模型UML对象模型,第二章复习重点,两种空间信息模型（场模型、对象模型）表达空间现象的特点。空间对象模型中空间对象间的拓扑关系特征。栅格数据结构和矢量数据结构。在对象模型中表示空间对象的主要矢量数据类型（OGC,Oraclespatial,STDS）。ER模型的空间扩展。空间对象ER模型到UML的转换。具有空间属性的实体ER模型的关系模式设计。,作业,1.设计一个空间扩展的ER模型来表示国家（Country）和河流(River)，包括他们之间的联系(Cross相交)，并将此ER模型中的实体、空间和非空间属性和联系映射为关系数据库模式。国家属性包括：名字（Name）,所属大洲（Continent），人口（Population）,国民生产总值（GDP）,空间几何形状（Polygon）.河流的属性：名字（Name）,起源国（Count