GIS基础讲稿第4章

1、第四章gis数据库4. 1数据库概述在笫一章里已经说过，gis的核心是空间数据库，数据库技术产生丁 20世纪60年代末期,是 计算机领域中最重耍的技术么一，是理想的数据管理技术。数据管理支队数据的组织、存储、检索、 维护等。管理数据经丿力了人工管理、文件系统与数据库阶段。文件管理存在着文件z间没冇联系， 数据不完全独立于程序等不足，因此数据库技术发展起來。4.1.1数据库概念数据库冇三个基本部分组成：（1）数据集（库）：按一定结构组织起來的相关数据的集合，既包括数据与数据间的联系。（2）物理存储介质：计算机的外存与内存储器，外存存储数据，内存存储操作系统与数据库管理 系统，并有一定数量的缓冲区

2、，用于数据处理。（3）数据库软件：核心是数据库管理系统（dbms）,对数据进行建立、定义、管理与维护，还有 数据库应用系统，通过空间分析模型对数据进行分析与决策。空间数据库是能够存储空间数据与属性数据，并能对空间数据进行检索、分析的数据库，空间 数据库由如数字高程模型dem、数字正射影像数据dom、数字栅格地图drg、矢虽要索数据dlg.专 题数据td、元数据md等数据库组成。4.1.2数据库特征（1）数据集中控制维护管理。（2）数据独立于应用程序。（3）数据共享，多用八可同吋存续数据，提高使用效率。减少数据兀余，提高数据的一致性。（5）数据结构化，数据按一定结构形式构成，数据间具有联系。（6

3、）数据保护功能，具有使用权限，确保数据安全。4.1.3数据库结构数据库结构一般划分为三个层次：（内模式、概念模式、外模式）（1）物理数据层：数据库的授内层，是物理存储设备上实际存储的数据的集合，由指令操作的位 串、字符和字组成。这是内模式。概念数据层：数据库结构中中间的一层，是数据库的逻辑表示，指出每个数据的逻辑定义（数 据结构、类型、长度等）与逻辑关系与操作。这是概念模式。（3）逻辑数据库：用户看到的数据库，表示了用户使用的数据的集合。这是外模式。三个数据层通过对应规则（映射）进行转换，数据库管理系统的一个重要任务就是完成三个数 据层之间的映射。4.2数据模型数据模型是数据库中数据结构、数据

4、操作和数据的约束条件的集合。每一种管理系统都是基于 某种特定的数据模型的，目前流行的数据模型有按关系理论建立的关系（结构）模型与按图论理论 建立的层次（结构）模型与网状（结构）模型。4.2.1关系模型与二维表结构关系模型是以数学理论为基础构建的数据模型，它把复杂的数据结构归纳为简单的二元关系， 即把侮一个实体集看作是一个二维表。关系模型是用个单的二维表结构表示实体及实体间的联 垂，而满足一定条件的二维表称为一个关系。其中每一行是一个实体（记录），每一列是一个实体属 性（字段），表中第一行是各字段的型的集合。作为一个关系的二维表，必须满足以下条件：（1）表中的每一个属性值都是不町再分的基本单元；

5、（2）表屮每一列的属性名必须是唯一的；（3）表屮每一列必须有和同的数据类型；（4）表中不能有完全相同的行；关系模型的最人特点是描述的一致性，结构简单清晰。显然，实体及其联系在关系表中一目了 然。也可以通过关系之间的连接运算建立新的关系，对关系数据库的查询和统计操作均通过布尔逻 辑与数学关系运算实现。关系模型存取路径完全对用八隐蔽，使程序与数据貝有高度的独立性。关 系模型使用与维护方便。由关系数据结构组成的数据库系统称为关系数据库系统。在关系数据库中，对数据的操作几乎 全部建立在一个或多个关系表格上，通过对这些表格的操作來实现对数据的管理。4. 2.2层次模型与树结构层次模型是一种树结构模型，它

6、把数据按口然的层次关系组织起来，反映数据z间的隶属关系。 层次模型在数据处理中发展最早、技术上已成熟的-种数据模型。它的特点是将数据组织成一棵有 根结点的定向的有序树（树指无回的连通图），它是一棵倒挂的树，树分根、枝、叶。它必须满足两 个条件：有个结点，没冇父结点，只它结点屮有p.仅有-个父结点。没有父亲的结点称为根 结点，其余的结点称为从属结点。从属结点中有下属的为枝，无下属为叶。从根结点开始按父子联 系依次连接的结点序列称为层次路径。如一所高校，它由校、院、系、专业、教师、学生等构成， 其结构图就像一棵树，校是树根（称根结点），院、系、师、生等为枝（结点），枝结点向上向下都 有联系，向上只

7、能有唯一的联系，向下可有若干联系，向下无任何联系的为叶，如具体某个学生。 在层次模型屮，必须按照从根开始的某条路径进行访问。层次模型表达的实体间的联系是一对多关系，当实体具有层次关系时，适宜采用层次型数据库 进行管理。一对多关系指一个父属性对应多个子属性，而一个子属性只对应一个父屈性。层次模型 中一切联系都是向下的。在树形结构中，表示方法是多样的。如一木书a分为b、c两章，b章又分为d、e、f三节；c 章分为g、h两节，e节乂分为两小节i、jo4. 2.3网状模型与图结构用从结构表示的实体间的联系模型叫网状结构模型。层次模型根结点只冇一个，根以外的其它 结点只冇一个父结点，若打破此限制，则层次

8、模型就形成了网状模型。因此网状模型是在层次模型 基础上发展起來的，层次模型是网状模型的特殊形式，网状模型是层次模型的一般形式。从另一个角度上讲，网状模型是在层次结构的基础发展起来的，它扩充了层次结构对联系的限 制，因此可灵活地表示实体间的多种关系。它需满足以下条件：（1）可以有一个以上的结点没有父结点。（2）至少有一个结点有多于一个的父结点。（3）结点间可以有多种联系。4. 2.4三种数据模型的比较（见黄杏元等地理信息系统p126表4）1）三种数据模型优缺点分析目前，不同的地理信息系统分别用到了以上三种模型。以上三种模型可分为两类，其中层次模 型与网状模型，都依赖于某种固定的连接关系。层次模型

9、，记录按树结构存储，而且所有记录只能 有一个所冇者，用户可以通过路径与其它记录的连接来存取每一个记录。网状结构是层次结构的一 般形式（层次结构是网状结构的特殊情况），在网状结构中，一个已知的记录可以有多个所有者等。 在层次与网状结构中，数据库中最低层的记录如果不与它的父记录发生关系就会失去意义，这样的 模型，叫做面向结构的模型。而关系模型可称为面向操作的模型。关系模型是潜力较大的模型，也是微型机上使用最多的模型。所谓关系模型就是一个二维表, 表中数据本身口然地建立起它们z间的联系，并用关系代数与关系运算来操作数据。它的数据结构 灵活、清晰，通过逻辑运算与数学运算进行查询、检索、修改、运算，数据

10、易于更新。关系模型在 数据库中增加数据项的方式有两种：一是产生一个新表，二是向己有的表中追加数据项。当数据库 需要修改或更新吋，不需要重新组织数据结构。关系模型的缺点是没有预先考虑存取路径，因而使 查询速度非常慢。层次结构的优点是容易理解，易于更新与扩充，但杳找比较麻烦，需要大最的索引文件，某 些数据可能重复多次，因而兀余量大。网状结构中的任一记录可与任意多个记录建立关系，因此与层次模型比较，人大地减少了兀 余，在表示关系复杂的地理数据和网状特征的地理实休效果好，但网状结构数据指针比较复杂，数 据更新要繁琐。从本质上看，层次与网状模型是相同的，在逻辑上它们都用结点表示实体，川连线表示实体间 的

11、联系；从物理上，它们都用指针来实现两个文件间的联系，只不过网络模型中的连线、指针较为 复杂而已。2）传统数据库管理系统的局限性以上三种模型可以说是传统的数据库模型，在数据管理上冇明显不足：传统数据库主要处理 的对彖是属性特征的数据，只能操作和查询文字和数字，无法冇效地支持复杂对彖如图形图像等， 而地理空间数据小有人量的空间数据需要操作和查询；传统的数据库管理系统管理的是不连续的 相关性较小的数字和字符，而地理数据是连续的，而且有很强的空间相关性；传统数据库系统管 理的数据类型较少，空间关系简单，而地理数据类型是多样的，并存在着复杂的空间关系；传统 数据库不能以白然的、接近人类思维的方式表示实体

12、及其联系。为了更好的模拟和操作现实世界中的复朵现象，克服传统数据模型的局限性，人们从更高的层 次探讨新的数据模型。包括：以数据库设计为背景而产牛的实体-联系（e-r）模型；从操作角 度模拟客观世界且具有严密代数基础的函数数据模型；对事物及其联系进行自然表达的语义网络 模型；基于图论多层次数据抽象的超图数据模型；基于逻辑的演绎数据模型；血向刈象的概 念和而向对象程序设计为基础的而向对象数据模型。其中而向对象的数据模型是高层次模型的最重 要发展。实体-联系（e-r）模型：由实体、联系和属性构成。不考虑数据的存储结构、存取路径和存取 效率等与计算机有关的问题，具有肓观、自然、语义较丰富的特点。4.2

13、.5面向对象的数据模型1）面向对象的基本思路面向对象方法的基本思路是：是用史接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，以便对信 息实体进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的系统尽可能直接地农现问题求解的过程。面向对 象的数据模型就是采用面向对象方法建立的数据模型。2）面向对象的相关概念无论怎样复杂的事物，又可以准确地由一个对彖表示。将客观世界的每一个概念实体模型化为 对彖。每个对彖都包含了数据集和操作集。对象：含有数据和操作方法的独立模块，是数据和行为的统体。如一个学校、_个城市、 一棵树、一条河流等可作为对彖。河流坐标描述了其位置与形状，河流的变迁则表达了它的行为。 一个对象应冇唯一的标识、

14、属性与操作方法。标识表示其存在的独立性，属性表示其状态，操作用 以改变对象的状态。（2）类：相同属性、结构和操作方法的对彖的集合，或说同类对彖的集合。如河流有名称、长度 与流域面积，操作方法可查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类，如长江、黄河。消息：对对象进行操作的请求。对象间的操作只能通过消息來进行。3）面向对象数据库的特性抽彖性：抽彖是对客观世界的简化，形成对彖的关键是抽彖，对象是抽彖思维的结果，抽彖 思维是通过概念、判断、推理來反映对象的本质，解释对象内部联系的过程。任何一个对象都是通 过抽彖和概括而形成的。封装性：将方法与数据放在一个对象中。对象就是一个封装好的独立模块。多

15、态性：同一消息被不同的对象接收时，可解释为不同的含义，相同的操作可用于多种类型 的对象，并能获得不同的结果。永久性：数据可长期保存，并可交叉使用。并发性：多个用户可同时访问一个数据库。安全性：具有保护措施，提供权限检查功能。复合空：某対象可以是另一对象的一部分。对扩充性：用户可在应用中增加新的操作和类型。4）面向对象的核心技术分类：同一类的对彖共享相同的属性项与操作方法。概括：将儿种类型中具冇共性特性的属性和操作方法抽彖出来，形成一种更一般的超类。如 地物抽象为点、线、面。聚集：将几个不同的对象组合成一个更高水平的复合对彖。联合：将同一类对象屮的几个具冇相同属性值的对象组合起来，为避免重复，设

16、立一个更高 水平的对象表示那些形同属性的属性值。运川上述的概念方法与技术，便町建立ifii向对象空间数据库，其结构就是面向对彖的数据模型。4.3空间数据库设计与实现数据库设计是根据不同的应川目的和用户要求，在一个给定的应川环境屮，确定最优的数据模 型、处理模式、存储结构、存取方法，建立能反映现实世界的地理实体间信息的联系，以满足用八 要求，乂能被一定的数据库管理系统接受，同时能实现系统冃标并冇效地存取、管理数据的数据库。空间数据库的设计是指在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的过程。主要包括需求分析、 结构设计和数据层次设计三部分。完成设计后，该建立空间数据库了。建立空间数据库包插三项工 作

17、，建库结构、装入数据、试运行。完成建立后，要进行维护。4.3.1空间数据库设计1）需求分析需求分析是空间数据库设计与建立的基础，具体为：调查用户需求：了解用户特点和要求。收集与分析需求数据：包括信息内容、特征、需存储的数据等需求、信息加工处理的要求、 完整性与安全性要求等。编制用户需求说明书：主要有：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。2）结构设计空间数据库设计的关键，设计的结果是得到一个空间数据模型。空间数据模型的木质是反映现 实世界，主要有：（1）概念设计对需求分析阶段收集的数据进行分析、整理、确定地理实体、属性及其关系，把用户的需求加 以解释，并用概念模型表

18、达出來。表示概念模型最有力的工具是实体-联系模型（e-r模型），包括 实体、联系、加性三个基本成分。比-般模型更能很好的模拟现实世界，具有直观、口然、语义较 丰富的特点。（2）逻辑设计乂称数据模型映射。在概念设计的基础上，按照不同的转换规则将概念模型转换为貝体的数据 模型的过程。完成转换后，要进行分析、评比和优化。（3）物理设计数据库存储结构和存储路径的设计。即逻辑设计如何在计算机的存储设备上实现。主要内容是 确定记录存储格式，选样文件的存储结构，分配存储空间。一个好的存储结构必须满足两个条件， 一是存储空i'可小，二是处理速度快。完成设计后，要进行性能分析与测试。物理设计分为格式设计、存储方法设计、访问方法设计、完整性和安全考虑、应用设计与形成 物理设计说明书等6步。3）数据层设计将数据按逻辑类型分成不同的数据层进行组织。一般按照专业内容和类型进行，这样便于组织, 方便调用，因为不可能同时使用所有数据，往往是需要若干