第六章空间数据库(自学)

1、1 1、数据库系统数据库系统是面向是面向计算机计算机的，而的，而应用应用是面向是面向现实世现实世界界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的，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信息世界作为现实世界通向计算机实现的作为现实世界通向计算机实现的桥梁桥梁。2 2、一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的、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，

2、要以一定的方式另一方面，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。映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现。信信息世界息世界起到了起到了承上启下承上启下的作用。的作用。现实世界信息世界概念化概念化形式化形式化转换转换机器世界机器世界DBMS支持的支持的数据模型数据模型现实世现实世界界的信息的信息认识认识抽象抽象计算机世界信息世界信息世界概念模型概念模型(不依赖计算机不依赖计算机)信息规范信息规范数据库数据库客观事物客观事物控制决策机控制决策机构（用户）构（用户）询问询问响应响应数据化信息决策决策计算机世界计算机世界信息世界信息世界现实世界现实世界策

3、略措施策略措施观测机构观测机构2 2、空间数据库空间数据库的定义的定义 空间数据库是存取、管理空间数据库是存取、管理空空间信息间信息的数据库。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。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、数据库数据库的定义的定义 数据库就是为了一定的目的，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在计算机系统中以特定的结构组织组织、存储、管理和应用的相、存储、管理和应用的相关联的关联的数据集合数据集合。 地理信息系统地理信息系

4、统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这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空间数据库。与一般数据库相比，空间数据库具有以下特征：与一般数据库相比，空间数据库具有以下特征：q 数据量数据量特别巨大；特别巨大；q 空间数据和属性数据统一，数据空间数据和属性数据统一，数据种类多种类多；q 应用广泛应用广泛：数据应用面相当广泛。：数据应用面相当广泛。 在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用用通用的通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采数据库的原理和方

5、法；另一方面又必须采取一些取一些特殊的特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。的问题。数据库管理系统是位于用户和操作系统之间数据库管理系统是位于用户和操作系统之间的一层的一层管理软件管理软件。（课本（课本106106）它的主要功能有：数据定义、数据操纵、数它的主要功能有：数据定义、数据操纵、数据库运行管理、数据库建立和维护。据库运行管理、数据库建立和维护。 它是在计算机系统中引入数据库后的它是在计算机系统中引入数据库后的系统。它由系统。它由数据库数据库、数据库管理系统数据库管理系统、应应用系统用系统、数据库管理员数据库管理员、用户用户构成。构成。 数据处理

6、数据处理的中心问题是的中心问题是数据管理数据管理。数据管。数据管理指的是对数据的分类、组织、编辑、储存、理指的是对数据的分类、组织、编辑、储存、检索和维护。检索和维护。 主要经历了如下三个阶段：主要经历了如下三个阶段：u人工管理阶段人工管理阶段(50年代中期以前年代中期以前)u文件系统阶段文件系统阶段(50年代后期年代后期60年代中期年代中期u数据库系统阶段数据库系统阶段(60年代后期开始年代后期开始)背景：背景：1 1、计算机主要用于、计算机主要用于科学计算科学计算( (数据量小、结构简单，数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等如高阶方程、曲线拟和等) )。2 2、外存只有磁带、卡片、纸

7、带等，、外存只有磁带、卡片、纸带等，没有磁盘等直没有磁盘等直接存取设备接存取设备。3 3、没有操作系统没有操作系统，没有数据管理软件，没有数据管理软件( (用户用机器用户用机器指令编码指令编码) )。特点：特点：1、数据完全面向特定的应用程序，每个用户使用、数据完全面向特定的应用程序，每个用户使用 自己的数据，自己的数据，数据不保存数据不保存，用完就撤走；，用完就撤走；2、没有软件系统对数据进行管理；、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、没有文件的概念，数据的组织方式必须由程序 员自行设计；员自行设计；4、一组数据对应一组程序，数据是、一组数据对应一组程序

8、，数据是不共享不共享的；的；5、数据与程序、数据与程序没有独立性没有独立性，程序中存取数据的子，程序中存取数据的子 程序随着存储结构的改变而改变。程序随着存储结构的改变而改变。应用程序应用程序1数据组数据组1应用程序应用程序n数据组数据组n背景：背景：1 1、计算机不但用于科学计算，还用于、计算机不但用于科学计算，还用于管理管理。2 2、外存外存有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。3 3、软件方面软件方面，有了，有了专门管理数据的软件专门管理数据的软件，一，一般称为文件系统，包括在操作系统中。般称为文件系统，包括在操作系统中。4 4、处理方式处理方式方面，不仅有了文件批

9、处理，而方面，不仅有了文件批处理，而且能够联机实时处理。且能够联机实时处理。特点：特点：1 1、系统提供、系统提供存取方法存取方法( (索引文件、链接文件、直接索引文件、链接文件、直接 存取文件、倒排文件等存取文件、倒排文件等) )，支持对文件的基本操，支持对文件的基本操 作作( (增、删、改、查等增、删、改、查等) )，数据可以长期保存。，数据可以长期保存。2 2、有软件系统对数据进行管理。、有软件系统对数据进行管理。3 3、数据共享差，、数据共享差，冗余度大冗余度大。4 4、数据与程序有、数据与程序有一定的独立性一定的独立性，因为文件的逻辑，因为文件的逻辑 结构与存储结构由系统进行转换，数

10、据在存储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。上的改变不一定反映在程序上。数据与程序的独立性差：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

11、序知道。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。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。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

12、不一致性：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。的不一致性。背景：背景：1 1、计算机管理的数据量大，关系复杂，、计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求共享性要求 强强（多种应用、不同语言共享数据）。（多种应用、不同语言共享数据）。2 2、外存外存有了大容量磁盘，光盘。有了大容量磁盘，光盘。3 3、软件价格上升，硬件价格下降，、软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件编制和维护软件 及应用程序成本相对增加及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更，其中维护的成本更 高，力求

13、降低。高，力求降低。特点：特点： 1 1、有了数据库管理系统。、有了数据库管理系统。 2 2、面向全组织，面向现实世界。、面向全组织，面向现实世界。 3 3、独立性较强。、独立性较强。 4 4、由、由DBMSDBMS统一存取，维护数据语义及结构。统一存取，维护数据语义及结构。数据库观点：数据库观点： 数据不是依赖于处理过程的附属品，而是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。现实世界中独立存在的对象。文件系统的弱点：文件系统的弱点：l文件之间无联系文件之间无联系l难于维护数据的完整性难于维护数据的完整性数据库系统的用武之地：数据库系统的用武之地：l有查询有查询l数据复杂数

14、据复杂文件系统：文件系统：l分别组织多个文件，存储各类对象的记录。分别组织多个文件，存储各类对象的记录。l系统不支持文件间的联系，由应用程序负责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。查询表达及数据的维护。数据库系统数据库系统( (关系关系) )：l数据统一按表结构存放，联系也为表形式数据统一按表结构存放，联系也为表形式。l查询：只需提查询要求，由系统完成查询过程。查询：只需提查询要求，由系统完成查询过程。l维护：应用提出完整性约束，系统自动检查。维护：应用提出完整性约束，系统自动检查。l面向全组织的复杂的数据结构面向全组织的复杂的数据结构l数据的冗余度小，易扩充数据的冗

15、余度小，易扩充l具有较高的数据和程序的独立性具有较高的数据和程序的独立性 1、数据独立性、数据独立性： 2、数据的物理独立性、数据的物理独立性： 3、数据的逻辑独立性、数据的逻辑独立性：l统一的数据控制功能统一的数据控制功能 1、数据的安全性控制、数据的安全性控制 2、数据的完整性控制、数据的完整性控制 3、并发控制、并发控制 4、数据库的恢复、数据库的恢复一、数据视图：一、数据视图： 数据库管理系统的一个主要作用就是数据库管理系统的一个主要作用就是隐藏关于数隐藏关于数据存储和维护的某些细节据存储和维护的某些细节，而为用户提供数据在不同，而为用户提供数据在不同层次上的层次上的抽象视图抽象视图，

16、即不同的使用者从不同的角度去，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观察数据库中的数据所得到的结果( (数据库中的数据库中的) )数据抽象数据抽象。视图视图1 1视图视图2 2视图视图3 3视图视图n n.逻辑层逻辑层物理层物理层用户用户1 1用户用户2 2用户用户3 3用户用户n n.视图视图1 1DataBase视图视图2 2视图视图3 3.视图视图n n数据视图数据视图模式的分级：模式的分级： 为了提高数据的为了提高数据的物理独立性物理独立性和和逻辑独立性逻辑独立性，使用户看到，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的数据库，与数据库的物理方面

17、，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。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：数据库系统三级模式结构： CODASYLCODASYL（Conference On Data System LanguageConference On Data System Language，美美国数据系统语言协商会国数据系统语言协商会）提出）提出模式模式、外模式外模式、存储模式存储模式三级三级模式的概念。三级模式之间有两级映象。模式的概念。三级模式之间有两级映象。数据库数据库内模式内模式模模 式式外模式外模式2外模式外模式1外模式外模式3应用应用A应用应用B应用应用C应用应用D应

18、用应用E外模式外模式/模式映象模式映象模式模式/内模式映象内模式映象外模式外模式/ /模式映象：模式映象： 定义某一个定义某一个外模式和模式之间的对应关系外模式和模式之间的对应关系，映象，映象定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此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映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为变，称为逻辑独立性逻辑独立性。模式模式/ /内模式映象内模式映象： 定义定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系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，从存储结构改变时，修改

19、此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为而应用程序可以保持不变，称为物理独立性物理独立性。 数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、数据项、记录、文件和数据库记录、文件和数据库。1 1、数据项：、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。本项、字段等。 2 2、记录：、记录：由若干相关联的数据项组成。由若干相关联的数据项组成。 3 3、文件：、文件：文件是一给定类型的文件是一给定类型的( (逻辑逻辑) )记录的全部具体值记录的全部具体值的集合。的集合。 4 4、数据库：、数据库：是比文

20、件更大的数据组织。数据库是具有特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，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。这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。数据项记 录文 件数据库用三种模型（层次、网络、关系）组织图：用三种模型（层次、网络、关系）组织图：123456abcdefgMMabcdefg1223344134355664c1 1、它的特点是将数据组织成、它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。一对

21、多关系的结构。2 2、层次结构采用关键字来访、层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。问其中每一层次的每一部分。3 3、层次数据库结构特别适用、层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。机构等分级数据的组织。123456abcdefgMMabcdefg123456123456abcdefgMM acbecfgda12gb25f463e356d41c34地图多边形线点关系数据库模型关系数据库模型是以记录组或数是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利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用各种地理实体与属性之间的关系

22、进行存储和变换，不分层也无系进行存储和变换，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之间关系的一种非常有效的数据组织方法。据组织方法。现实世界现实世界地理实体地理实体数据层设计数据层设计结构设计结构设计需求分析需求分析数据字典设计数据字典设计 空间数据库的设计是指在空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统现在数据库管理系统的的基础上建立空间数据库的整个过程。基础上建立空间数据库的整个过程。设计设计步骤步骤 需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，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：主要进行以下工作：1 1、调查用

23、户需求调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者：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。与用户对需求的一致看法。v现状调查现状调查：通过实际调查了解用户的现状及要求通过实际调查了解用户的现状及要求v调查内容的组织的分析调查内容的组织的分析：对调查的结果进行整理、分析和组对调查的结果进行整理、分析和组 织，并提交报告及图件。织，并提交报告及图件。用户需求分析方法用户需求分析方法： 需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，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：主要进行以下工作：1 1、调查用户需求调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者：了解用户特点和

24、要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。与用户对需求的一致看法。2 2、需求数据的收集和分析需求数据的收集和分析：包括信息需求：包括信息需求( (信息内容、信息内容、特征、需要存储的数据特征、需要存储的数据) )、信息加工处理要求、信息加工处理要求( (如响应如响应时间时间) )、完整性与安全性要求等。、完整性与安全性要求等。3 3、编制用户需求说明书编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、：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。求分析的最终成果。 指指空间数据结构空间数据结构设计，结果是得

25、到一个设计，结果是得到一个合理的空合理的空间数据模型间数据模型，是空间数据库设计的关键。，是空间数据库设计的关键。 空间数据库设计的空间数据库设计的实质实质是是将地理空间实体以一定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的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是，也就是地理信息系统中空间实体的地理信息系统中空间实体的模型化模型化问题。问题。把用户的需求加以解释，用把用户的需求加以解释，用概念模型概念模型表达出来，具体任务包括：表达出来，具体任务包括：1)数据库的宏观定义数据库的宏观定义 指对数据库比例尺、地图投影和坐标系统的定义。指对数据库比例尺、地图投影和坐标系统的定义

26、。2)数据库的特征设计数据库的特征设计 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。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。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 概念化设计概念化设计4）数据库总体设计的评定）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评价前面三步步的设计结果。的设计结果。5）数据库概念模型的起草）数据库概念模型的起草 将将GIS数据库的概念

27、设计起草成正式的文件，作为后面详细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。设计时参考。 是通过对错综复杂的现实世界的是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象认识与抽象，最终，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。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表示概念模型最有力的工具是E ER R模型模型，即实，即实体体联系模型，包括联系模型，包括实体、联系和属性实体、联系和属性三个基本成分。三个基本成分。用它来描述现实地理世界，用它来描述现实地理世界，不必考虑不必考虑信息的存储结构、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，比一般存

28、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，具有的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、直观、自然、语义较丰富语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。应用。市区要素市区要素空间实体空间实体实体属性实体属性实体关系实体关系边线边线走向走向街道街道路面质量路面质量所属路段所属路段所属街道所属街道组成组成长度等长度等m1模模型型E_RE_RB 逻辑设计逻辑设计 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构的数据模型，然后选择最合

29、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：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。据库系统支持下的数据模型转换。对数据模型进行优化。对数据模型进行优化。C C 物理设计物理设计 数据库最终是要存储在物理设备上的。为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一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的环境的物理结构（存储结构与存取方法）物理结构（存储结

30、构与存取方法）的过的过程，就是数据库的物理设计。程，就是数据库的物理设计。 物理设计的好坏将对地理数据库的性能物理设计的好坏将对地理数据库的性能影响很大影响很大，一，一个好的物理存储结构必须满足两个条件：个好的物理存储结构必须满足两个条件： 一是地理数据一是地理数据占有较小的存储空间占有较小的存储空间； 二是对数据库的操作具有二是对数据库的操作具有尽可能高的处理速度尽可能高的处理速度。在完成物理设计后，要进行在完成物理设计后，要进行性能分析和测试性能分析和测试。 GISGIS的数据可以按照空间数据的的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属逻辑关系或专业属性性分为分为各种逻辑数据层或专业数据层，

31、原理上类似于各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。图片的叠置。 例如，地形图数据可分为地貌、水系、道路、植被、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、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。图形显示时，往往只需要若干相应图层的数据。 数据字典用于数据字典用于描述数据库的整体结构、描述数据库的整体结构、数据内容和定义等数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说。一个好的数据字典可以说是一个是一个

32、数据的标准规范数据的标准规范，它可使数据库的开发，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。者依此来实施数据库的建立、维护和更新。数据字典的内容包括：数据字典的内容包括： 数据库的数据库的总体组织结构总体组织结构、数据库、数据库总体设计总体设计的框架的框架、各数据层详细内容各数据层详细内容的定义及结构、数的定义及结构、数据据命名的定义命名的定义、元数据元数据等内容。等内容。小结小结1、建立空间数据库结构、建立空间数据库结构 2、数据装入、数据装入 3、调试运行、调试运行1 1、空间数据库的重组织、空间数据库的重组织2 2、空间数据库的重构造、空间数据库的重构造3 3、空间数据库的完整性、安全性控制、空间数据库的完整性、安全性控制 数据仓库是指